Badania prowadzone pod kierunkiem naukowców z Field Museum i Uniwersytetu w Glasgow były możliwe dzięki tomografii atomowej Uniwersytetu Northwestern, która „ustaliła” wiek najstarszego kryształu w próbce. Ujawniając wiek tych charakterystycznych kryształów cyrkonu – ukrytych w pyle zebranym z Księżyca – badacze byli w stanie ustalić harmonogram powstawania Księżyca.
Badanie opublikowano dzisiaj (23 października) w czasopiśmie Geochemical Perspectives Letters.
„To badanie stanowi świadectwo ogromnego postępu technologicznego, jakiego dokonaliśmy od 1972 r., kiedy ostatnia załogowa misja na Księżyc powróciła na Ziemię” – powiedział Dieter Isheim z Northwestern, współautor badania. „Próbki te sprowadzono na Ziemię pół wieku temu, ale dopiero dzisiaj dysponujemy niezbędnymi narzędziami do wykonywania mikroanalizy na wymaganym poziomie, w tym tomografii z sondą atomową”.
Analiza atom po atomie pozwoliła naukowcom policzyć, ile atomów w kryształach cyrkonu uległo rozpadowi radioaktywnemu. Kiedy atom ulega rozpadowi, wyrzuca protony i neutrony, przekształcając się w różne pierwiastki. Na przykład uran rozpada się na ołów. Ponieważ naukowcy ustalili, ile czasu zajmuje ten proces, mogą ocenić wiek próbki na podstawie proporcji atomów uranu i ołowiu.
„Datowanie radiometryczne działa trochę jak klepsydra” – powiedział Philipp Heck z Field Museum, starszy autor badania. „W klepsydrze piasek przepływa z jednej szklanej bańki do drugiej, a upływ czasu wskazuje na nagromadzenie się piasku w dolnej bańce. Datowanie radiometryczne działa podobnie, zliczając liczbę atomów macierzystych i liczbę atomów potomnych, które przekształciły do. Można wówczas obliczyć upływ czasu, ponieważ znana jest szybkość transformacji.
Isheim jest profesorem nadzwyczajnym w dziedzinie nauk o materiałach i inżynierii w McCormick School of Engineering w Northwestern oraz kierownikiem Centrum Tomografii Atomowej Sondy Atomowej (NUCAPT) w Northwestern. David Seidman, emerytowany profesor nauk o materiałach i inżynierii Waltera P. Murphy’ego w McCormick i dyrektor-założyciel NUCAPT, również jest współautorem badania. Heck jest kuratorem ds. meteorytów i studiów polarnych w Field Museum im. Roberta A. Pritzkera, starszym dyrektorem Negaunee Interactive Research Center i profesorem na Uniwersytecie w Chicago. Jennika Greer, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie w Glasgow, jest główną autorką badania. W momencie rozpoczęcia badań była doktorantką. kandydat w laboratorium Hecka.
Ponad 4 miliardy lat temu, kiedy Układ Słoneczny był jeszcze młody, a Ziemia wciąż rosła, w Ziemię uderzył gigantyczny obiekt wielkości Marsa. Ogromny kawałek odłamał się od Ziemi, tworząc Księżyc, a energia uderzenia stopiła skałę, która ostatecznie stała się powierzchnią Księżyca.
„Kiedy powierzchnia była tak stopiona, kryształy cyrkonu nie mogły się uformować i przetrwać” – powiedział Heck. „Tak więc wszelkie kryształy na powierzchni Księżyca musiały uformować się po ochłodzeniu księżycowego oceanu magmy. W przeciwnym razie zostałyby stopione, a ich sygnatury chemiczne zostałyby usunięte”.
Ponieważ kryształy musiały uformować się po ochłodzeniu oceanu magmy, określenie wieku kryształów cyrkonu ujawniłoby minimalny możliwy wiek Księżyca. Aby jednak określić maksymalny możliwy wiek Księżyca, badacze sięgnęli po instrumenty tomograficzne z sondą atomową firmy Northwestern.
„W tomografii z sondą atomową zaczynamy od naostrzenia kawałka próbki Księżyca w bardzo ostrą końcówkę, używając mikroskopu ze skupioną wiązką jonów, co przypomina bardzo wymyślną temperówkę” – powiedział Greer. „Następnie używamy laserów UV do odparowania atomów z powierzchni tej końcówki. Atomy przemieszczają się przez spektrometr mas, a prędkość, jaką się poruszają, mówi nam, jak bardzo są ciężkie, co z kolei mówi nam, z czego są zbudowane”.
Po określeniu materiałów znajdujących się w próbce i przeprowadzeniu datowania radiometrycznego naukowcy doszli do wniosku, że najstarsze kryształy mają około 4,46 miliarda lat. Oznacza to, że Księżyc musi mieć co najmniej tyle lat.
Ważne jest, aby wiedzieć, kiedy powstał Księżyc, powiedział Heck, ponieważ „Księżyc jest ważnym partnerem w naszym układzie planetarnym. Stabilizuje oś obrotu Ziemi. To dlatego doba ma 24 godziny. To jest powód, dla którego mamy pływy. Bez Księżyca życie na Ziemi wyglądałoby inaczej. To część naszego naturalnego systemu, którą chcemy lepiej zrozumieć, a nasze badania dostarczają maleńkiego fragmentu układanki w całym obrazie.”
Badanie zatytułowane „4,46 Cyrkonów Ga zakotwicza chronologię księżycowego oceanu magmy” było wspierane przez NASA i stypendium Women’s Board Women in Science w Field Museum. Projekt NUCAPT jest wspierany przez Narodową Fundację Nauki, Biuro Badań Marynarki Wojennej i Instytut ds. Zrównoważonego Rozwoju i Energii im. Pauli M. Trienens.