Um novo estudo conclui que a atmosfera lunar quase inexistente é provavelmente o produto de impactos de meteoritos ao longo de bilhões de anos.
Embora a lua não tenha ar respirável, ela abriga uma atmosfera quase inexistente. Desde a década de 1980, os astrônomos observam uma camada muito fina de átomos saltando sobre a superfície da lua. Essa atmosfera delicada – tecnicamente conhecida como “exosfera” – é provavelmente um produto de algum tipo de intemperismo espacial. Mas exatamente o que esses processos podem ser tem sido difícil de definir com certeza.
Agora, cientistas do MIT e da Universidade de Chicago dizem que identificaram o principal processo que formou a atmosfera da lua e continua a sustentá-la hoje. Em um estudo que aparece hoje em Avanços da Ciência a equipe relata que a atmosfera lunar é principalmente um produto de “vaporização de impacto”.
Em seu estudo, os pesquisadores analisaram amostras de solo lunar coletadas por astronautas durante as missões Apollo da NASA. Sua análise sugere que, ao longo dos 4,5 bilhões de anos de história da lua, sua superfície foi continuamente bombardeada, primeiro por meteoritos massivos, depois, mais recentemente, por “micrometeoroides” menores, do tamanho de poeira. Esses impactos constantes levantaram o solo lunar, vaporizando certos átomos em contato e lançando as partículas no ar. Alguns átomos são ejetados para o espaço, enquanto outros permanecem suspensos sobre a lua, formando uma atmosfera tênue que é constantemente reabastecida à medida que os meteoritos continuam a atingir a superfície.
Os pesquisadores descobriram que a vaporização por impacto é o principal processo pelo qual a lua gerou e sustentou sua atmosfera extremamente fina ao longo de bilhões de anos.
“Damos uma resposta definitiva de que a vaporização por impacto de meteorito é o processo dominante que cria a atmosfera lunar”, diz a autora principal do estudo, Nicole Nie, professora assistente no Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias do MIT. “A lua tem quase 4,5 bilhões de anos e, durante esse tempo, a superfície tem sido continuamente bombardeada por meteoritos. Mostramos que, eventualmente, uma atmosfera fina atinge um estado estável porque está sendo continuamente reabastecida por pequenos impactos por toda a lua.”
Os coautores de Nie são Nicolas Dauphas, Zhe Zhang e Timo Hopp, da Universidade de Chicago, e Menelaos Sarantos, do Centro de Voos Espaciais Goddard da NASA.
Funções do intemperismo
Em 2013, a NASA enviou um orbitador ao redor da lua para fazer um reconhecimento atmosférico detalhado. O Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE, pronunciado “laddie”) foi encarregado de coletar remotamente informações sobre a fina atmosfera da lua, condições de superfície e quaisquer influências ambientais na poeira lunar.
A missão da LADEE foi projetada para determinar as origens da atmosfera da lua. Os cientistas esperavam que as medições remotas da sonda sobre a composição do solo e da atmosfera pudessem se correlacionar com certos processos de intemperismo espacial que poderiam então explicar como a atmosfera da lua surgiu.
Pesquisadores suspeitam que dois processos de intemperismo espacial desempenham um papel na formação da atmosfera lunar: vaporização de impacto e “pulverização iônica” – um fenômeno que envolve o vento solar, que carrega partículas energéticas carregadas do sol através do espaço. Quando essas partículas atingem a superfície da lua, elas podem transferir sua energia para os átomos no solo e fazer com que esses átomos pulverizem e voem para o ar.
“Com base nos dados do LADEE, parece que ambos os processos estão desempenhando um papel”, diz Nie. “Por exemplo, mostrou que durante chuvas de meteoritos, você vê mais átomos na atmosfera, o que significa que os impactos têm um efeito. Mas também mostrou que quando a lua é protegida do sol, como durante um eclipse, também há mudanças nos átomos da atmosfera, o que significa que o sol também tem um impacto. Então, os resultados não foram claros ou quantitativos.”
Respostas no solo
Para determinar com mais precisão as origens da atmosfera lunar, Nie olhou para amostras de solo lunar coletadas por astronautas ao longo das missões Apollo da NASA. Ela e seus colegas da Universidade de Chicago adquiriram 10 amostras de solo lunar, cada uma medindo cerca de 100 miligramas — uma quantidade minúscula que ela estima que caberia em uma única gota de chuva.
Nie procurou primeiro isolar dois elementos de cada amostra: potássio e rubídio. Ambos os elementos são “voláteis”, o que significa que são facilmente vaporizados por impactos e pulverização iônica. Cada elemento existe na forma de vários isótopos. Um isótopo é uma variação do mesmo elemento, que consiste no mesmo número de prótons, mas um número ligeiramente diferente de nêutrons. Por exemplo, o potássio pode existir como um de três isótopos, cada um tendo um nêutron a mais, e sendo um pouco mais pesado que o anterior. Da mesma forma, existem dois isótopos de rubídio.
A equipe raciocinou que se a atmosfera da lua consiste em átomos que foram vaporizados e suspensos no ar, os isótopos mais leves desses átomos devem ser mais facilmente lançados, enquanto os isótopos mais pesados teriam mais probabilidade de se acomodar de volta no solo. Além disso, os cientistas preveem que a vaporização por impacto e a pulverização iônica devem resultar em proporções isotópicas muito diferentes no solo. A proporção específica de isótopos leves para pesados que permanecem no solo, tanto para potássio quanto para rubídio, deve então revelar o principal processo que contribui para as origens da atmosfera lunar.
Com tudo isso em mente, Nie analisou as amostras da Apollo primeiro triturando os solos em um pó fino, depois dissolvendo os pós em ácidos para purificar e isolar soluções contendo potássio e rubídio. Ela então passou essas soluções por um espectrômetro de massa para medir os vários isótopos de potássio e rubídio em cada amostra.
No final, a equipe descobriu que os solos continham principalmente isótopos pesados de potássio e rubídio. Os pesquisadores conseguiram quantificar a proporção de isótopos pesados para leves de potássio e rubídio e, comparando ambos os elementos, descobriram que a vaporização por impacto era provavelmente o processo dominante pelo qual os átomos são vaporizados e elevados para formar a atmosfera da lua.
“Com a vaporização de impacto, a maioria dos átomos ficaria na atmosfera lunar, enquanto com a pulverização iônica, muitos átomos seriam ejetados para o espaço”, diz Nie. “A partir do nosso estudo, agora podemos quantificar o papel de ambos os processos, para dizer que a contribuição relativa da vaporização de impacto versus pulverização iônica é de cerca de 70:30 ou maior.” Em outras palavras, 70 por cento ou mais da atmosfera da lua é um produto de impactos de meteoritos, enquanto os 30 por cento restantes são uma consequência do vento solar.
“A descoberta de um efeito tão sutil é notável, graças à ideia inovadora de combinar medições de isótopos de potássio e rubídio junto com modelagem quantitativa cuidadosa”, diz Justin Hu, um pós-doutorado que estuda solos lunares na Universidade de Cambridge, que não estava envolvido no estudo. “Essa descoberta vai além da compreensão da história da lua, pois tais processos podem ocorrer e podem ser mais significativos em outras luas e asteroides, que são o foco de muitas missões de retorno planejadas.”
“Sem essas amostras da Apollo, não seríamos capazes de obter dados precisos e medir quantitativamente para entender as coisas com mais detalhes”, diz Nie. “É importante para nós trazer amostras da lua e de outros corpos planetários, para que possamos desenhar imagens mais claras da formação e evolução do sistema solar.”