Monsters van vulkanisch gesteente verzameld tijdens NASA's Apollo-missies dragen de isotopensignatuur van belangrijke gebeurtenissen in de vroege evolutie van de maan, een nieuwe analyse gevonden. Die gebeurtenissen omvatten de vorming van de ijzeren kern van de maan, evenals de kristallisatie van de maanmagma-oceaan - de zee van gesmolten gesteente waarvan wordt aangenomen dat deze de maan ongeveer 100 miljoen jaar heeft bedekt nadat deze is gevormd.

De analyse, gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , gebruikte een techniek genaamd secundaire ionenmassaspectrometrie (SIMS) om vulkanische glazen te bestuderen die waren teruggekeerd van de Apollo 15- en 17-missies, waarvan wordt gedacht dat ze een van de meest primitieve vulkanische materialen op de maan vertegenwoordigen. De studie keek specifiek naar de samenstelling van zwavelisotoop, die details kan onthullen over de chemische evolutie van lava's van generatie op generatie, transport en uitbarsting.

"Gedurende vele jaren leek het alsof de geanalyseerde basaltische rotsmonsters van de maan een zeer beperkte variatie in zwavelisotoopverhoudingen hadden, " zei Alberto Saal, een professor in de geologie aan de Brown University en co-auteur van de studie. "Dat zou suggereren dat het binnenste van de maan een in wezen homogene zwavelisotopensamenstelling heeft. Maar met behulp van moderne in situ analytische technieken, laten we zien dat de isotopenverhoudingen van de vulkanische glazen eigenlijk een vrij groot bereik hebben, en die variaties kunnen worden verklaard door gebeurtenissen in het begin van de maangeschiedenis."

De zwavelsignatuur van belang is de verhouding van de "zware" zwavel-34 isotoop tot de lichtere zwavel-32. Uit eerste studies van vulkanische monsters op de maan bleek dat ze uniform leunden naar de zwaardere zwavel-34. De bijna homogene zwavelisotoopverhouding was in tegenstelling tot grote variaties in andere elementen en isotopen die in de maanmonsters werden gedetecteerd.

Deze nieuwe studie keek naar 67 individuele vulkanische glasmonsters en hun smeltinsluitsels - kleine klodders gesmolten lava gevangen in kristallen in het glas. Smeltinsluitingen vangen de lava op voordat zwavel en andere vluchtige elementen als gas vrijkomen tijdens de uitbarsting - een proces dat ontgassen wordt genoemd. Als zodanig, ze bieden een ongerept beeld van hoe de oorspronkelijke bronlava eruit zag. Met behulp van de SIMS bij de Carnegie Institution for Science, Saal met zijn collega, wijlen Carnegie-wetenschapper Eric Hauri, waren in staat om de zwavelisotopen in deze ongerepte smeltinsluitingen en glazen te meten, en gebruik die resultaten om een ​​model van het ontgassingsproces voor alle monsters te kalibreren.

"Zodra we de ontgassing kennen, dan kunnen we de oorspronkelijke zwavelisotoopsamenstelling terug schatten van de bronnen die deze lava's produceerden, ' zei Saal.

Die berekeningen onthulden dat de lava's waren afgeleid van verschillende reservoirs in het binnenste van de maan met een breed scala aan zwavelisotoopverhoudingen. De onderzoekers toonden vervolgens aan dat het bereik van waarden dat in de monsters werd gedetecteerd, kon worden verklaard door gebeurtenissen in de vroege geschiedenis van de maan.

De lichtere isotopenverhouding in sommige vulkanische glazen, bijvoorbeeld, is consistent met de scheiding van de ijzeren kern van de vroege gesmolten maan. Wanneer een ijzeren kern zich scheidt van ander materiaal in een planetair lichaam, er is een beetje zwavel bij nodig. De zwavel die wordt ingenomen, is meestal de zwaardere isotoop zwavel-34, waardoor de resterende magma verrijkt in de lichtere zwavel-32.

"De waarden die we in sommige vulkanische brillen zien, komen volledig overeen met modellen van het kernsegregatieproces, ' zei Saal.

De zwaardere isotoopwaarden kunnen worden verklaard door de verdere afkoeling en kristallisatie van de vroege gesmolten maan. Het kristallisatieproces verwijdert zwavel uit de magmapool, produceren van vaste reservoirs met zwaarder zwavel-34. Dat proces is de waarschijnlijke bron van de zwaardere isotoopwaarden die worden gevonden in sommige van de vulkanische glazen en basaltgesteenten die van de maan zijn teruggekeerd.

"Onze resultaten suggereren dat deze monsters deze kritieke gebeurtenissen in de maangeschiedenis registreren, "Saal zei. "Terwijl we naar deze monsters blijven kijken met nieuwere en betere technieken, we blijven nieuwe dingen leren."

Er moet meer werk worden verzet - en er moeten meer monsters worden geanalyseerd - om de zwavelisotopensamenstelling van de maan volledig te begrijpen, zegt Saal. Maar deze nieuwe resultaten helpen om al lang bestaande vragen over de samenstelling van het binnenste van de maan op te helderen, en ze brengen wetenschappers een stap dichter bij het begrijpen van de vorming en vroege geschiedenis van de maan.