La NASA afirma que las sombras frías en la superficie lunar pueden explicar el misterio del agua de la luna

Las sombras proyectadas por la superficie rugosa de la luna crean pequeños puntos fríos para que se acumule el hielo de agua, incluso durante el duro día lunar.

Los científicos confían en que se puede encontrar hielo de agua en los polos de la Luna dentro de cráteres con sombra permanente, en otras palabras, cráteres que nunca reciben luz solar. Pero las observaciones muestran que el hielo de agua también está presente en gran parte de la superficie lunar, incluso durante el día. Esto es un enigma: los modelos informáticos anteriores sugirieron que cualquier hielo de agua que se formó durante la noche lunar debería arder rápidamente a medida que sale el sol.

“Hace más de una década, la nave espacial detectó la posible presencia de agua en la superficie diurna de la Luna, y esto fue confirmado por el Observatorio de Astronomía Infrarroja Estratosférica de la NASA. [SOFIA] para el 2020 ”, dijo Björn Davidsson, científico del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California. “Estas observaciones fueron, al principio, contrarias a la intuición: el agua no debería sobrevivir en ese entorno hostil. Esto desafía nuestra comprensión de la superficie lunar y plantea preguntas intrigantes sobre cómo los volátiles como el hielo de agua pueden sobrevivir en cuerpos sin aire ”.

En un nuevo estudio, Davidsson y la coautora Sona Hosseini, investigadora y científica instrumental del JPL, sugieren que las sombras creadas por la «rugosidad» de la superficie lunar proporcionan refugio para el hielo de agua, lo que le permite formarse como escarcha. los polos lunares. También explican cómo la exosfera de la Luna (los tenues gases que actúan como una atmósfera delgada) pueden tener un papel importante en este rompecabezas.

Esta ilustración amplía el área de detalle indicada en la foto anterior, mostrando cómo las sombras permiten que el hielo de agua sobreviva en la superficie lunar iluminada por el sol. Cuando las sombras se mueven a medida que el sol se eleva, la escarcha expuesta dura lo suficiente como para ser detectada por una nave espacial. Crédito: NASA / JPL-Caltech

Trampas de agua y bolsas de hielo

Muchos modelos de computadora simplifican la superficie lunar, haciéndola plana y sin rasgos distintivos. Como resultado, a menudo se asume que la superficie alejada de los polos se calienta de manera uniforme durante el día lunar, lo que haría imposible que el hielo de agua permaneciera en la superficie iluminada por el sol durante mucho tiempo.

Entonces, ¿cómo se detecta el agua en la Luna más allá de las regiones sombreadas permanentemente? Una explicación para la detección es que las moléculas de agua pueden quedar atrapadas dentro de la roca o el vidrio de impacto creado por el increíble calor y la presión de las colisiones de meteoritos. Fusionada en estos materiales, como sugiere esta hipótesis, el agua puede permanecer en la superficie incluso cuando es calentada por el Sol mientras crea la señal que fue detectada por SOFIA.

Pero un problema con esta idea es que las observaciones de la superficie lunar muestran que la cantidad de agua disminuye antes del mediodía (cuando la luz del sol está en su punto máximo) y aumenta por la tarde. Esto indica que el agua puede moverse de un lugar a otro durante el día lunar, lo que sería imposible si estuvieran atrapadas dentro de una roca lunar o un vidrio de impacto.

Davidsson y Hosseini revisaron el modelo de computadora para descartar la aparente rugosidad de la superficie en las imágenes de las misiones Apolo de 1969 a 1972, que muestran una superficie lunar llena de rocas y cráteres, creando muchas áreas sombreadas incluso cerca del mediodía. Al tener en cuenta esta rugosidad de la superficie en sus modelos informáticos, Davidsson y Hosseini explican cómo es posible que se formen heladas en pequeñas sombras y por qué la distribución del agua cambia a lo largo del día.

Dado que no hay una atmósfera espesa para distribuir el calor alrededor de la superficie, las áreas extremadamente frías y sombreadas, donde las temperaturas pueden bajar a aproximadamente 350 grados Fahrenheit (menos 210 grados Celsius), pueden las áreas calientes cercanas expuestas al sol, donde las temperaturas pueden alcanzar tan alto como 240 Fahrenheit (120 Celsius).

A medida que el Sol se abre paso a través del día lunar, la escarcha de la superficie que se puede acumular en estas áreas frías y sombreadas se expone lentamente a la luz solar y se cicla hacia la exosfera lunar. Las moléculas de agua se vuelven a congelar en la superficie y se vuelven a acumular como hielo en otros lugares frescos y sombreados.

“La escarcha es mucho más móvil que el agua atrapada”, dijo Davidsson. «Por lo tanto, este modelo proporciona un nuevo mecanismo que explica cómo se mueve el agua entre la superficie lunar y la fina atmósfera lunar».

Una hipótesis es que las moléculas de agua están atrapadas en el material lunar (izquierda). Pero un nuevo estudio postula que las moléculas de agua (derecha) permanecen como hielo en la superficie en sombras frías y se mueven a otros puntos fríos a través de la exosfera delgada. Crédito: NASA / JPL-Caltech

Una mirada más cercana

Mientras eso no es el primer estudio Para tener en cuenta la rugosidad de la superficie al calcular las temperaturas de la superficie lunar, el trabajo anterior no ha considerado cómo las sombras afectarían la capacidad de las moléculas de agua para permanecer en la superficie durante el día como las heladas. Este nuevo estudio es importante porque nos ayuda a comprender mejor cómo se libera y elimina el agua lunar de la exosfera lunar.

“Entender el agua como un recurso es esencial para la NASA y los esfuerzos comerciales para la futura exploración lunar humana”, dijo Hosseini. “Si hay agua disponible en forma de escarcha en las regiones iluminadas por el sol de la Luna, los futuros exploradores podrán utilizarla como fuente de combustible y agua potable. Pero primero, necesitamos averiguar cómo interactúan la exosfera y la superficie y qué papel juega esto en el ciclo. «

Para probar esta teoría, Hosseini está liderando un equipo para desarrollar sensores ultraminiaturizados para medir las señales débiles del hielo de agua. El espectrómetro miniaturizado lunar Heterodyne OH (HOLMS) se está desarrollando para su uso en pequeños módulos de aterrizaje estacionarios o rovers autónomos, como el robot explorador plegable plano emergente autónomo de JPL (A-PUFFER), por ejemplo, que se puede enviar a la Luna en el futuro. para realizar mediciones directas de hidroxilo (una molécula que contiene un átomo de hidrógeno y un átomo de oxígeno).

Hidroxilo, que es un primo molecular del agua (una molécula con dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno) pueden servir como indicador de la cantidad de agua que puede haber en la exosfera. Tanto el agua como el hidroxilo pueden ser creados por impactos de meteoritos y partículas de viento solar que golpean la superficie lunar, por lo que medir la presencia de estas moléculas en la exosfera lunar puede revelar cuánta agua se está creando, al tiempo que muestra cómo se mueve de un lugar a otro. . Pero el tiempo es esencial para tomar estas medidas.

“La exploración lunar actual de varias naciones y empresas privadas indica cambios artificiales significativos en el entorno lunar en un futuro próximo”, dijo Hosseini. “Si esta tendencia continúa, perderemos la oportunidad de comprender el entorno lunar natural, especialmente el agua que circula a través de la exosfera lunar original. En consecuencia, el desarrollo avanzado de instrumentos ultracompactos y altamente sensibles es de vital importancia y urgencia. «

Los investigadores señalan que este nuevo estudio podría ayudarnos a comprender mejor el papel que juegan las sombras en la acumulación de hielo de agua y moléculas de gas más allá de la Luna, como en Marte o incluso partículas en los anillos de Saturno.

El estudio fue publicado en Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society el 2 de agosto de 2021.

Referencia: «Implicaciones de la rugosidad de la superficie en modelos de desorción de agua en la luna» por Björn JR Davidsson y Sona Hosseini, 2 de agosto de 2021, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.
DOI: 10,1093 / mnras / stab1360