Maanmonsters die een halve eeuw geleden door de Apollo-astronauten werden verzameld, bevatten antwoorden op vragen waar wetenschappers destijds niet eens aan dachten. omdat nieuwe technologische hulpmiddelen inzicht verschaffen in enkele van de oudste mysteries over de maan, de aarde en het zonnestelsel.

Op 20 juli, 1969, toen Apollo-astronaut Neil Armstrong de ladder af klom van de "Eagle" maanlandingsmodule, hij bevond zich omringd door een zee van grijs - een uitgestrektheid van poederachtig stof dat geen mens ooit persoonlijk had gezien. De iconische print gemaakt door zijn linkerlaars gemarkeerd, maar de eerste stap op een lange ontdekkingsreis, een ontdekking over de maan en onze eigen wereld - die beide geheimen bevatten die wetenschappers nog maar net beginnen te ontdekken.

Vijftig jaar nadat de Apollo-astronauten monsters van maanstenen en stof verzamelden tijdens hun tochten door het maanlandschap, er zijn nog mysteries die moeten worden opgelost, en een wetenschapper van de Universiteit van Arizona is op zoek naar antwoorden. Jessica Barnes, een inkomende assistent-professor in het Lunar and Planetary Laboratory van de UA, werd onlangs door NASA geselecteerd om toegang te krijgen tot kostbare ongeopende maansteenmonsters.

Onder NASA's Apollo Next Generation Sample Analysis, of ANGSA, programma, Barnes krijgt toegang tot Apollo 17 monster 71036, die bijna vier ons steen bevat. Verschillende monsters van die missie werden aanvankelijk verwerkt onder nominale laboratoriumomstandigheden, beschermd tegen blootstelling aan lucht door een stikstofkast bij kamertemperatuur, en werden vervolgens binnen een maand na terugkomst in de koelcel geplaatst.

"Toen deze monsters werden teruggebracht, de curatoren hadden de vooruitziende blik om te zeggen, 'op dit moment hebben we niet alle methoden om alle vragen te beantwoorden die deze monsters ons zouden kunnen helpen beantwoorden' en dus sloten ze een aantal op voor toekomstig onderzoek, " zegt Barnes. "Ze realiseerden zich dat toekomstige technologieën ons in staat zouden stellen dingen te doen die op dat moment onmogelijk waren, en dat mensen met nieuwe vragen zouden komen, en het is echt spannend omdat we nu op dat punt in de tijd zijn."

Barnes is op zoek naar waar water vandaan kwam in het vroege zonnestelsel en hoe het zich in de loop van de tijd heeft ontwikkeld. Vorig onderzoek, waaronder een deel van haar eigen werk, suggereert dat bepaalde ruimterotsen, bekend als koolstofhoudende chondrieten, water met zich meebrachten toen ze de aarde en Mars insloegen, en mogelijk enkele van de grotere asteroïden. Het is geen toeval dat Bennu, de doelasteroïde van de door de UA geleide OSIRIS-REx-monsterretourmissie, is een koolstofhoudende chondriet.

Volg het water

"Om te begrijpen waar het water in het zonnestelsel vandaan kwam, en vooral hoe het op aarde terecht is gekomen, Mars, en in de asteroïdengordel, we moeten rekening houden met de maan, " zegt Barnes, wiens huidige onderzoek zich richt op het opsporen van watermeteorieten, waaronder enkele van Mars-oorsprong, en maanmonsters verzameld tijdens Apollo 11, 14, en 17. "Begrijpen hoe het leven op aarde begon, is nauw verbonden met het verhaal van hoe water hier aankwam. Maanmonsters zijn cruciale stukjes in deze puzzel omdat, in tegenstelling tot de aarde, waar de oudste rotsen grotendeels zijn uitgewist door platentektoniek, het oude rotsrecord van de maan is nog steeds intact."

Ongeveer 4,6 miljard jaar geleden, toen een wervelende nevel van gas en stof begon in te storten in een schijf die zou leiden tot ons zonnestelsel, de rotsplaneten en de koolstofhoudende chondrieten ontwikkelden zich op verschillende plaatsen en op verschillende tijdstippen, Barnes legt uit, wat een probleem vormt voor het scenario met vroege asteroïden als voorboden van water.

"Het was pas 10 jaar geleden dat er water op de maan werd ontdekt, niet alleen aan de oppervlakte, maar ook in mineralen, " zegt Barnes. "In de wetenschap, dat is een vrij korte termijn, en we hebben het nog niet allemaal door. Hoe veel water is daar? Kwam het van de aarde tijdens de grote impact waarvan we denken dat de maan is ontstaan, of werd het later aan de maan gegeven? Is het gelijkmatig verdeeld of in stukjes in de mantel van de maan?"

Om antwoorden op dergelijke vragen te vinden, Barnes, die niet eens werd geboren toen de Apollo-astronauten het maanoppervlak te voet en met hun rovers kriskras doorkruisten, gebruikt technologie die pas in het begin van de jaren 2000 werd uitgevonden.

"Wanneer u uw monster voor het eerst ontvangt, je weet niet waar je naar kijkt, dus je begint met een visuele analyse, "Tom Zega zegt, wijzend naar een eenvoudige ontleedmicroscoop, zoals degene die worden gebruikt in inleidende wetenschappelijke laboratoria. Zega is universitair hoofddocent planetaire wetenschappen, en materiaalkunde en techniek, en mede-onderzoeker van het ANGSA-project. Hij is tevens directeur van de Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility bij LPL, een ultramoderne faciliteit ontworpen met één doel:zoveel mogelijk informatie uit monsters halen, zowel terrestrische als buitenaardse, als mogelijk.

Het bestuderen van een stuk maansteen onder een optische microscoop is slechts de eerste stap in een reeks analytische technieken die UA-onderzoekers tot hun beschikking hebben. Aan het einde is een 12 voet hoge transmissie-elektronenmicroscoop, of TEM. Gefinancierd door de National Science Foundation en NASA, het serienummer is "1" omdat het de eerste in zijn soort ter wereld is met deze exacte configuratie. zijn 200, Een elektronenstraal van 000 volt kan materie tot 78 picometer aftasten, schalen te klein voor het menselijk brein om te begrijpen.

"Als je wilt weten hoe een atoom uit de geboorte van ons zonnestelsel eruitziet, Ik kan het je tonen, ", zegt Zega. Om een ​​monster te krijgen waar het zoveel details van zijn oorsprong en geschiedenis opgeeft, echter, vereist een reeks complexe instrumenten en expertise die geen enkele discipline kan bieden.

"Vandaag, alle interessante wetenschap vindt plaats op de kruising van verschillende velden, Zegt Zega. "In mijn groep hebben we kosmochemici, kwantum scheikundigen, astrofysici en astrodynamica, onder andere. Dit werk vereist een unieke mix van kennis en vaardigheden. Neem de TEM, bijvoorbeeld:het is een kwantummechanisch hulpmiddel, dus je moet een expert zijn in natuurkunde, materiaalwetenschap en scheikunde allemaal tegelijk."

A Nano-scale Excavator

Another instrument, called an electron microprobe, allows researchers to discover certain properties of a sample by scanning it with an electron beam. Zoals het doet, a spatial image of the sample emerges, in this case revealing an abstract, speckled landscape of light and dark areas that cosmochemists can read like a map.

"Heavier elements appear brighter, and lighter elements appear darker, " Zega says. "So this tells us, bijvoorbeeld, where and how much iron there is compared to oxygen in a lunar sample."

Applying the same principle but scanning a sample with x-rays instead of electrons reveals a little more. When Barnes moves to the UA this fall, after wrapping up her current research at NASA's Johnson Space Center, she hopes to be able to expand the capacities of the Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility with a next-generation NanoSIMS instrument, which stands for nanoscale secondary ion mass spectrometry.

The beauty of this technology, zegt Barnes, lies in its ability to analyze isotopes, essentially different "varieties" of chemical elements, at very small scales, less than one-fiftieth the width of a human hair. Measuring the composition of different volatile elements such as hydrogen and chlorine in the rock tells the researcher something about the chemical make-up of the magma from which the rock crystallized and how its chemistry evolved over time.

"These data allow us to understand the chemistry of the moon's interior, " she says. "Ultimately we are able to say something about how the moon evolved and where its water came from."

The possibilities don't end here. To a curator during the Apollo days, a focused ion-beam scanning electron microscope, or FIB-SEM, would have sounded like utter science fiction:By smashing the bonds between atoms inside the sample with a beam of heavy gallium ions, the instrument works essentially like a nano scale excavator, Zega explains.

"Except that compared to other FIBs, which act like shovels, this one is a scalpel, " hij zegt.

FIB-SEM allows scientists to cut out tiny pieces from a sample with high precision and analyze only those pieces. This technique recently enabled Zega's team to discover a grain of dust forged in the death throes of a star long before our solar system was born.

Untouched Samples

"What we want to know from our samples is, how well do they conform to how we think the solar system formed based on astrophysical models?" Zega says.

The same applies to the origin of the moon, zegt Barnes.

"It's not just analytical instruments that have improved. In the last 10 years major advancements in impact simulations and numerical modeling have allowed the community to simulate the speed, size and number of the bodies that might have been involved in creating the Earth-moon system."

Analyzing samples from extraterrestrial bodies goes beyond the origins of the Earth and the moon, natuurlijk. They are critical pieces in the puzzle because they allow scientists to test hypotheses about formation processes in the solar system based on simulations and models.

"We have had lunar samples here for decades, " says Timothy Swindle, director of the LPL. "Our faculty have been studying the composition of the moon for a long time, and what's so special about these samples is that they were valuable 50 years ago, and they will be valuable 50 years from now."

When asked what the Apollo samples can tell us 50 years later, Barnes says:"Being able to study these previously unopened samples is like a whole new lunar sample return mission. Not only do we get to be a part of the history of opening these samples, but we also will be using this opportunity to study how curation practices, such as ambient versus cold storage, affect our ability to measure a lunar water signature.

"It's exciting because this has never been done before."