Während der Apollo-Ära war eine der wichtigsten Operationen von Astronauten die Rückgabe von Proben, bei der Mondgestein beschafft und zur Erde zurückgebracht wurde. Das Studium dieser Gesteine hat viel über die Zusammensetzung, Struktur und geologische Geschichte des Mondes ergeben. Dies führte zu tiefgreifenden Entdeckungen, einschließlich der Anwesenheit von Wasser auf dem Mond und der Tatsache, dass sich sowohl die Erde als auch ihr einziger Satellit zusammen bildeten.
Im Laufe der Zeit haben Wissenschaftler neue Techniken und Technologien genutzt, um eingehendere Analysen durchzuführen, um mehr über die Entstehung und Entwicklung des Mondes zu erfahren. Kürzlich hat ein Forscherteam der Brown University und der Carnegie-Institut für Wissenschaften (CIS) untersuchten einige dieser Proben auf Schwefelisotope, um ein neues Licht auf die Frühgeschichte des Mondes und seine Entwicklung zu werfen.
Die Analyse wurde durchgeführt von Alberto E. Saal (Professor für Geologie am Brown’s Department of Earth Environmental and Planetary Sciences) und Dr. Erik H. Hauri , ein Geochemiker des Earth and Planets Laboratory an der CIS (der 2018 verstarb). Mit der Technik bekannt als Sekundärionen-Massenspektrometrie (SISM) am Carnie Institute untersuchten sie die Isotopensignatur von 67 einzelnen Proben von Mondmaterial.
Eine neue Analyse von Mondgestein legt das Ende des Monddynamos fest, der Prozess, bei dem der Mond einst ein Magnetfeld erzeugte. Bild: Hernán Cañellas und Benjamin Weiss
DieApollo 15und17Felsen enthalten Gläser, von denen angenommen wird, dass sie zu den primitivsten vulkanischen Mondmaterialien gehören. Diese Gläser enthalten winzige Stücke geschmolzener Lava (Schmelzeinschlüsse), die eingefangen wurden, bevor Schwefel und andere flüchtige Elemente bei der Eruption freigesetzt werden konnten – ein Prozess, der als Entgasung bezeichnet wird. Das Studium dieser Lavastücke ermöglicht es Wissenschaftlern zu sehen, wie die Lavaquellen waren.
Mit der SISM-Anlage in Carnegie, Saal und Hauri maßen diese Proben auf Schwefelisotope – insbesondere das Verhältnis von Schwefel-32 zu Schwefel-34. Diese Isotope wurden ausgewählt, weil die Geschwindigkeit, mit der sie erscheinen, Aufschluss über die chemische Entwicklung der Proben geben kann, von ihrer Entstehung über ihren Transport bis hin zu ihrem endgültigen Ausbruch an die Oberfläche.
Anfängliche Studien von Mondglas ergaben, dass sie einheitlich dazu neigten, sich mehr dem schwereren Schwefel-34-Isotop zuzuwenden, das im Gegensatz zu anderen Elementen und Isotopen stand (die große Variationen aufwiesen). Wie Saal kürzlich in einem Interview mit sagte Neues aus Braun :
„Viele Jahre lang schien es, als ob die analysierten Basaltgesteinsproben des Mondes eine sehr begrenzte Variation der Schwefelisotopenverhältnisse aufwiesen. Das würde nahelegen, dass das Innere des Mondes eine im Wesentlichen homogene Schwefelisotopenzusammensetzung hat. Aber mit modernen in-situ-Analysetechniken zeigen wir, dass die Isotopenverhältnisse der vulkanischen Gläser tatsächlich eine ziemlich große Bandbreite haben, und diese Variationen können durch Ereignisse in der frühen Mondgeschichte erklärt werden.“
Künstlerische Darstellung des Magma-Ozeanplaneten. Bildnachweis: Mark Garlick
Diese Ergebnisse wurden verwendet, um ein Modell des Entgasungsprozesses für alle Mondproben zu kalibrieren, das es Saal und Hauri ermöglichte, die Zusammensetzung der ursprünglichen Lavaquellen zu bestimmen. Dies zeigte, dass die Laven aus verschiedenen Reservoirs im Inneren des Mondes stammten, die ein breites Spektrum an Schwefelisotopenverhältnissen aufwiesen. Saal und Hauri fanden heraus, dass diese Wertespanne durch Schlüsselereignisse in der Frühgeschichte des Mondes erklärt werden kann.
Zum Beispiel stimmt das leichtere Isotopenverhältnis in einigen der Gläser mit der Trennung des Eisenkerns von Silikatmineralen überein, als der frühe Mond noch in geschmolzenem Zustand war. Wenn sich Eisen von Silikaten und anderen Materialien, die den Mantel und die Kruste eines planetarischen Körpers bilden, trennt, neigt es dazu, den schwereren Schwefel-34 zurückzuhalten, während das verbleibende Magma mit dem leichteren Schwefel-32 angereichert bleibt.
Ein weiteres Schlüsselereignis war der folgende Abkühlungs- und Kristallisationsprozess, der wahrscheinlich die Ursache für die höheren Isotopenwerte ist, die in einigen der vom Mond zurückgekehrten vulkanischen Gläser und Basaltgesteine gefunden wurden. Dieser Kristallisationsprozess entfernte Schwefel aus dem Magnumpool, was zur Bildung von festen Reservoirs mit dem schwereren Schwefel-34 führte. Als Saal erklärt :
„Wenn wir die Entgasung kennen, können wir die ursprüngliche Schwefelisotopenzusammensetzung der Quellen, die diese Laven produziert haben, zurückschätzen. Die Werte, die wir in einigen vulkanischen Gläsern sehen, stimmen vollständig mit Modellen des Kernsegregationsprozesses überein. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass diese Proben diese kritischen Ereignisse in der Mondgeschichte aufzeichnen. Während wir uns diese Proben mit neueren und besseren Techniken ansehen, lernen wir immer wieder neue Dinge.“
Künstlerische Darstellung des Einschlags, der die Mondentstehung verursachte. Bildnachweis: NASA/GSFC
Saal wies auch darauf hin, dass mehr Forschung betrieben (und mehr Proben analysiert) werden müssen, bevor die Zusammensetzung der Schwefelisotope vollständig verstanden werden kann. In der Zwischenzeit werden diese neuesten Ergebnisse dazu beitragen, langjährige Fragen zur Zusammensetzung des Mondinneren und seiner Differenzierung vor Milliarden von Jahren zu klären. Dies bringt Astronomen dem Verständnis der frühen Geschichte des Mondes effektiv einen Schritt näher.
Die wertvollen wissenschaftlichen Erträge, die die Apollo-Mondgesteine weiterhin liefern, veranschaulichen auf wunderbare Weise den Wert von Probenrückgabe-Missionen. Hier auf der Erde können Studien mit Instrumenten durchgeführt werden, die im Rahmen einer Robotermission zu groß und umständlich wären. Sie können auch archiviert werden, damit Wissenschaftler zurückgehen und weitere Analysen durchführen können, wenn sich die Technologie verbessert.
Aus diesem Grund hat die neueste Robotermission der NASA zum Mars – dieAusdauerRover – sammelt Proben und speichert sie in einem Cache für den zukünftigen Abruf durch eine ESA-Mission. Sobald diese auf die Erde zurückgebracht werden, können Wissenschaftler sie über Generationen hinweg studieren und dabei immer mehr über die Gemeinsamkeiten unserer Planeten erfahren.
Die Forschung wurde mit Mitteln der NASA durchgeführt Funktionsweise des Sonnensystems Programm.
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