Ilustración del orbitador BepiColombo MIO observando el entorno de plasma cerca de la superficie de Mercurio. Mientras que la superficie de la Tierra está protegida del viento solar por la atmósfera del planeta y los campos magnéticos, la Luna no tiene atmósfera ni campo magnético, por lo que el viento solar cae directamente sobre la superficie lunar. La situación es similar en Mercurio, ya que el planeta no tiene atmósfera y solo un campo magnético débil, por lo que la interacción entre el material de la superficie celeste y los iones en el viento solar como se describe en este artículo es un tema de investigación importante para la misión. Créditos: JAXA

Un equipo de investigación dirigido por Yusuke Nakauchi (JAXA) ha realizado experimentos que demostraron que se pueden generar moléculas de agua (H2O) en la Luna y en la capa superficial de cuerpos pequeños cuando los iones de hidrógeno emitidos por el Sol chocan con el material de silicato (el principal mineral que se encuentra en la Tierra, la Luna y otros pequeños cuerpos celestes) de la superficie lunar.

En los últimos años, los datos de observación de los exploradores lunares han informado de la existencia de «agua lunar», lo que ha llevado a una discusión sobre la posibilidad de que se estén produciendo moléculas de OH o H2O en la irradiación de la superficie de la Luna por el viento solar. Si bien se ha denominado colectivamente «agua de la Luna», no estaba claro si se estaba detectando la presencia de grupos OH o H2O. Se han realizado previamente experimentos para simular la irradiación de la superficie lunar por el viento solar y se ha concluido que el H2O se puede generar a través de un impacto de micrometeoroide después de la irradiación de iones de hidrógeno. En estos nuevos experimentos de Nakauchi et al, Se encontró que la irradiación de iones de hidrógeno por sí sola puede ser suficiente para generar H2O. Estos resultados muestran que el H2O se puede generar en una reacción muy simple en la Luna y en la capa superficial de pequeños cuerpos que están directamente expuestos a los iones de hidrógeno del viento solar.

Detalles de la investigación
Trasfondo
Una de las principales teorías para la creación de la Luna es que nuestro satélite se formó durante un impacto gigante entre la Tierra y un gran objeto del tamaño de Marte. Según la teoría del impacto gigante, la colisión de la formación condujo a una época en la que toda la superficie de la Luna estaba cubierta de magma, y ​​se sospecha que los componentes volátiles como el agua se agotaron de la composición de la Luna en ese momento. Por lo tanto, esto sugirió que no había agua en la Luna. Sin embargo, el análisis de los datos de las observaciones lunares en los últimos años ha sugerido fuertemente que el agua (grupos OH o H2O) puede estar presente en un área amplia de la superficie lunar (por ejemplo, C. M. Pieters et al., 2009). Las discusiones sobre el origen de esta agua han propuesto la entrega a través de pequeños cuerpos (como cometas y asteroides) después de la formación de la Luna, o que se genera en una reacción entre iones de hidrógeno en el viento solar y materiales lunares. De estas opciones, la investigación experimental sobre la última posibilidad se ha realizado en todo el mundo.

El viento solar (el flujo de gas a alta velocidad (400 km / s) que se origina en el Sol, compuesto principalmente por iones de hidrógeno y electrones) llena el espacio del Sistema Solar. Como la superficie de la Luna y otros cuerpos sin aire, como los asteroides, no tienen atmósfera, el viento solar incide directamente sobre los minerales de su superficie. Se espera que los iones de hidrógeno en el viento solar y los iones de oxígeno contenidos en los minerales en la superficie de la Luna puedan combinarse para dar como resultado la formación de grupos OH y H2O. Dado que la existencia de agua en la Luna ha atraído un interés considerable como posible recurso, es particularmente importante comprender la cantidad y la ubicación, así como los mecanismos de generación de H2O que podrían conducir a una implementación más fácil de la utilización de recursos in situ.

En su investigación, Nakauchi et al. preguntó cómo se puede formar agua en la superficie de la Luna o asteroides que no soportan una atmósfera. Para resolver esta cuestión, el equipo investigó el proceso de formación de grupos OH y H2O mediante reacciones mediadas por materiales existentes en la superficie de un asteroide.

Detalles experimentales

En este estudio, se simuló la superficie del cuerpo celeste utilizando una muestra en polvo de mineral de silicato hidratado (serpentina y saponita) que se encuentra en condritas carbonáceas. Este se instaló en una cámara de ambiente de alto vacío y se irradió con un haz de iones de hidrógeno (H2 +, 10keV) para simular los protones en el viento solar. El proceso de formación de OH y H2O a través de la irradiación por el haz de iones de hidrógeno se investigó mediante un examen detallado de los cambios en el espectro de reflexión del infrarrojo cercano.

El experimento se realizó en colaboración con el Centro de Investigación de Energía Wakasa Wan en la prefectura de Fukui, utilizando el dispositivo de implementación de la fuente de iones de microondas del centro de investigación y el Espectrómetro de Infrarrojos por Transformada de Fourier (FTIR). Estamos muy agradecidos por el apoyo que recibimos en el uso del acelerador de haz de iones para estudiar e implementar la generación y aceleración de los haces de iones de hidrógeno durante las pruebas y métodos de irradiación.

Resultados

Al examinar el cambio en el espectro de reflexión del infrarrojo cercano antes y después de la irradiación con iones de hidrógeno, se confirmó que Si-OH y H2O se generan irradiando minerales hidratados con iones de hidrógeno que simulan los protones del viento solar, mediante la destrucción del enlace Si -O en el mineral. Aunque el mineral de silicato hidratado también contenía un enlace metal-OH, no se observó ningún cambio en el rango de longitud de onda asociado con la abundancia del metal-OH en el espectro de reflexión del infrarrojo cercano. A partir de estos resultados, se cree que el proceso de formación de H2O es el siguiente:

(1) La irradiación de iones de hidrógeno destruye el enlace … O-Si-O-Si-O … en la estructura cristalina de los minerales de silicato (Figura B).

(2) … O-Si-O- y los iones de hidrógeno irradiados se combinan para formar … O-Si-OH (Figura C).

(3) La irradiación adicional con iones de hidrógeno rompe el enlace para formar … O-Si y H2O (Figura D).

fig.
Créditos de la imagen: JAXA

Los resultados experimentales anteriores mostraron la formación de los grupos OH a través de la irradiación de iones de hidrógeno solo, pero la formación de H2O requirió un impacto micrometeroide posterior a la irradiación de iones de hidrógeno. Nakauchi y col. es el primer ejemplo en el que se ha confirmado la formación de H2O con solo irradiación con iones de hidrógeno. También se encontró que la formación de grupos OH y H2O alcanza el punto de saturación rápidamente, alrededor de 102-103 años. Está previsto perfeccionar la cuantificación de la cantidad de producción en el futuro.

Contexto con resultados de investigaciones recientes

La presencia de moléculas de agua (H2O) se informó recientemente en un área de la Luna expuesta a la luz solar (presentación de la NASA: C. I. Hanniball et al., 2020). Con base en el resultado de los experimentos informados anteriormente, se consideró posible que los grupos OH se formaran al irradiar los minerales de la superficie de la Luna con iones de hidrógeno del viento solar, y que luego se formara H2O después de que la superficie fuera sometida a impactos de micrometeoroides. Los resultados de Nakauchi et al. proponen un proceso de formación más simple mostrando que el H2O podría haberse formado simplemente mediante la irradiación de los minerales de la superficie de la Luna con iones de hidrógeno del viento solar. Los resultados de esta investigación significan que las moléculas de agua continúan generándose en la superficie lunar a través de la irradiación del viento solar. Los resultados aquí se consideran hallazgos importantes para estimar el proceso de suministro y la disponibilidad de «agua lunar».

Publicación

Los resultados de esta investigación se publicaron en Icarus en febrero de 2021 (disponible en línea a partir de octubre de 2020).

Título: «The formation of H2O and Si-OH by H2+ irradiation in major minerals of carbonaceous chondrites»
Revista: Icarus, Vol. 355, febrero de 2021 (disponible en línea en octubre de 2020)
DOI: 10.1016 / j.icarus.2020.114140

Traducción no oficial con fines divulgativos del articulo original en Inglés.
Créditos: JAXA

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