Bilim insanları Ay’ın ince atmosferinin kökenini belirledi

Ay’da solunabilir hava bulunmazken, neredeyse hiç olmayan bir atmosfer bulunur. 1980’lerden beri gökbilimciler, ayın yüzeyinde zıplayan çok ince bir atom tabakası gözlemlediler. Bu hassas atmosfer -teknik olarak “ekzosfer” olarak bilinir- muhtemelen bir tür uzay aşınmasının ürünüdür. Ancak bu süreçlerin tam olarak ne olabileceğini kesin olarak belirlemek zordu.

Şimdi, MIT ve Chicago Üniversitesi’ndeki bilim insanları, ayın atmosferini oluşturan ve bugün de sürdürmeye devam eden ana süreci tanımladıklarını söylüyorlar. Bilim İlerliyor, takım raporları Ay atmosferinin öncelikle “çarpma buharlaşması”nın bir ürünü olduğu.

Araştırmacılar, çalışmalarında NASA’nın Apollo görevleri sırasında astronotların topladığı ay toprağı örneklerini analiz ettiler.

Analizleri, Ay’ın 4,5 milyar yıllık tarihi boyunca yüzeyinin sürekli olarak bombardımana tutulduğunu, ilk önce büyük meteorların, daha sonra da daha küçük, toz boyutundaki “mikrometeoroitlerin” bu bombardımana maruz kaldığını gösteriyor.

Bu sürekli etkiler ay toprağını havaya kaldırmış, temas halinde belirli atomları buharlaştırmış ve parçacıkları havaya kaldırmıştır. Bazı atomlar uzaya fırlatılırken, diğerleri ayın üzerinde asılı kalarak, meteorlar yüzeye çarpmaya devam ettikçe sürekli olarak yenilenen ince bir atmosfer oluşturmuştur.

Araştırmacılar, darbe buharlaşmasının, Ay’ın milyarlarca yıldır son derece ince bir atmosfer oluşturmasının ve sürdürmesinin ana süreci olduğunu buldular.

Çalışmanın başyazarı ve MIT’nin Dünya, Atmosfer ve Gezegen Bilimleri Bölümü’nde yardımcı doçent olan Nicole Nie, “Ay atmosferini oluşturan baskın sürecin, göktaşı çarpmasıyla oluşan buharlaşma olduğuna dair kesin bir yanıt veriyoruz” diyor.

“Ay yaklaşık 4,5 milyar yaşında ve bu süre zarfında yüzeyi sürekli olarak meteorlarla bombalandı. İnce bir atmosferin sonunda sabit bir duruma ulaştığını gösteriyoruz çünkü ayın her yerindeki küçük çarpışmalarla sürekli olarak yenileniyor.”

Nie’nin ortak yazarları arasında Chicago Üniversitesi’nden Nicolas Dauphas, Zhe Zhang ve Timo Hopp ile NASA Goddard Uzay Uçuş Merkezi’nden Menelaos Sarantos yer alıyor.

Weathering’in rolleri

2013 yılında NASA, ayrıntılı bir atmosfer keşfi yapmak için ayın etrafına bir yörünge aracı gönderdi. Ay Atmosferi ve Toz Ortamı Gezgini (LADEE, “laddie” olarak telaffuz edilir) ayın ince atmosferi, yüzey koşulları ve ay tozu üzerindeki herhangi bir çevresel etki hakkında uzaktan bilgi toplamakla görevlendirildi.

LADEE’nin görevi, ayın atmosferinin kökenlerini belirlemek için tasarlanmıştı. Bilim insanları, sondanın toprak ve atmosfer bileşimine ilişkin uzaktan ölçümlerinin, ayın atmosferinin nasıl oluştuğunu açıklayabilecek belirli uzay aşınma süreçleriyle ilişkilendirilebileceğini umuyordu.

Araştırmacılar, iki uzay aşınma sürecinin ay atmosferini şekillendirmede rol oynadığından şüpheleniyorlar: darbe buharlaşması ve “iyon püskürtme” – güneşten uzaya enerji yüklü parçacıkları taşıyan güneş rüzgarını içeren bir fenomen. Bu parçacıklar ayın yüzeyine çarptığında, enerjilerini topraktaki atomlara aktarabilir ve bu atomları püskürterek havaya uçurabilirler.

Nie, “LADEE’nin verilerine bakıldığında her iki sürecin de rol oynadığı görülüyor” diyor.

“Örneğin, meteor yağmurları sırasında atmosferde daha fazla atom gördüğünüzü, yani etkilerin bir etkisi olduğunu gösterdi. Ancak, ayın güneşten korunduğu zaman, örneğin bir tutulma sırasında, atmosferin atomlarında da değişiklikler olduğunu, yani güneşin de bir etkisi olduğunu gösterdi. Bu yüzden sonuçlar net veya nicel değildi.”

Topraktaki cevaplar

Ay atmosferinin kökenlerini daha kesin bir şekilde belirlemek için Nie, NASA’nın Apollo görevleri boyunca astronotlar tarafından toplanan ay toprağı örneklerine baktı. Kendisi ve Chicago Üniversitesi’ndeki meslektaşları, her biri yaklaşık 100 miligram olan 10 ay toprağı örneği aldılar; bu, tek bir yağmur damlasına sığacağını tahmin ettiği küçük bir miktardır.

Nie, her numuneden önce iki elementi izole etmeye çalıştı: potasyum ve rubidyum. Her iki element de “uçucu”dur, yani darbeler ve iyon püskürtme yoluyla kolayca buharlaşabilirler.

Her element birkaç izotop formunda bulunur. Bir izotop, aynı sayıda protondan ancak biraz farklı sayıda nötrondan oluşan aynı elementin bir çeşididir. Örneğin, potasyum üç izotoptan biri olarak bulunabilir, her biri bir nötron daha fazlasına sahiptir ve biri sonuncusundan biraz daha ağırdır. Benzer şekilde, rubidyumun iki izotopu vardır.

Ekip, eğer Ay’ın atmosferi buharlaştırılmış ve havada asılı kalmış atomlardan oluşuyorsa, bu atomların daha hafif izotoplarının daha kolay havaya uçması, daha ağır izotopların ise toprağa geri dönme olasılığının daha yüksek olması gerektiği sonucuna vardı.

Dahası, bilim insanları, darbe buharlaşmasının ve iyon püskürtmesinin toprakta çok farklı izotopik oranlara yol açması gerektiğini öngörüyor. Toprakta kalan hafif ve ağır izotopların, hem potasyum hem de rubidyum için özgül oranı, ay atmosferinin kökenlerine katkıda bulunan ana süreci ortaya çıkarmalıdır.

Tüm bunları aklında tutarak, Nie önce toprakları ince bir toz haline getirerek, sonra da potasyum ve rubidyum içeren çözeltileri saflaştırmak ve izole etmek için tozları asitlerde eriterek Apollo örneklerini analiz etti. Daha sonra bu çözeltileri bir kütle spektrometresinden geçirerek her bir örnekteki hem potasyumun hem de rubidyumun çeşitli izotoplarını ölçtü.

Ekip, toprakların çoğunlukla potasyum ve rubidyumun ağır izotoplarını içerdiğini buldu. Araştırmacılar, potasyum ve rubidyumun ağır ve hafif izotoplarının oranını ölçebildiler ve her iki elementi karşılaştırarak, atomların buharlaştırılıp yükseltilerek ayın atmosferini oluşturduğu baskın sürecin büyük ihtimalle darbe buharlaşması olduğunu buldular.

Nie, “Çarpma buharlaşmasıyla atomların çoğu ay atmosferinde kalırken, iyon püskürtmeyle çok sayıda atom uzaya fırlatılır” diyor.

“Çalışmamızdan, artık her iki sürecin rolünü nicel olarak belirleyebiliyoruz; darbe buharlaşmasının iyon püskürtmeye göre göreceli katkısının yaklaşık 70:30 veya daha büyük olduğunu söyleyebiliriz.” Başka bir deyişle, ayın atmosferinin %70 veya daha fazlası meteor çarpmalarının bir ürünüdür, kalan %30 ise güneş rüzgarının bir sonucudur.

Cambridge Üniversitesi’nde ay topraklarını inceleyen doktora sonrası araştırmacı Justin Hu, “Potasyum ve rubidyum izotop ölçümlerini dikkatli, nicel modellemeyle birleştirme fikri sayesinde böylesine incelikli bir etkinin keşfi dikkat çekicidir” diyor.

“Bu keşif, Ay’ın geçmişini anlamanın ötesine geçiyor, çünkü bu tür süreçler diğer Ay’larda ve asteroitlerde daha önemli olabilir ve bunlar birçok planlanan dönüş görevinin odak noktasıdır.”

“Bu Apollo örnekleri olmadan, kesin veriler elde edemez ve şeyleri daha ayrıntılı olarak anlamak için nicel ölçümler yapamayız,” diyor Nie. “Ay ve diğer gezegensel gövdelerden örnekler getirmemiz bizim için önemli, böylece güneş sisteminin oluşumu ve evrimi hakkında daha net resimler çizebiliriz.”

Bu hikaye MIT News’in izniyle yeniden yayınlanmıştır (web.mit.edu/newsoffice/), MIT araştırmaları, yenilikleri ve öğretimi hakkında haberleri kapsayan popüler bir site.