Эксперимент НАСА показывает, что солнечный ветер может создавать воду на Луне

Экспериментальная установка состоит из специально изготовленной вакуумной камеры, которая помещается внутри отсека для образцов спектрометра Nicolet iS50 FTIR. Автор: Journal of Geophysical Research: Planets (2025). DOI: 10.1029/2024JE008334

Ученые выдвигали гипотезу с 1960-х годов, что солнце является источником ингредиентов, которые образуют воду на Луне. Когда поток заряженных частиц, известный как солнечный ветер, врезается в лунную поверхность, идея заключается в том, что он запускает химическую реакцию, которая может создавать молекулы воды.

Теперь, в ходе наиболее реалистичного на сегодняшний день лабораторного моделирования этого процесса, исследователи под руководством НАСА подтвердили это предсказание.

«Самое интересное здесь то, что при наличии только лунного грунта и базового ингредиента от солнца, которое всегда выплевывает водород, есть возможность создания воды», — Ли Ся Йео, научный сотрудник Центра космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, NASA. «Это невероятно, даже думать об этом», — сказал Йео, который руководил исследованием.

Солнечный ветер постоянно исходит от Солнца. Он состоит в основном из протонов, которые являются ядрами атомов водорода, потерявших свои электроны. Двигаясь со скоростью более 1 миллиона миль в час, солнечный ветер омывает всю Солнечную систему. Мы видим доказательства этого на Земле, когда он освещает наше небо в полярных сияниях.

Большинство солнечных частиц не достигают поверхности Земли, потому что у нашей планеты есть магнитный щит и атмосфера, которые их отклоняют. Но у Луны такой защиты нет. Как показали компьютерные модели и лабораторные эксперименты, когда протоны врезаются в поверхность Луны, которая состоит из пыльного и каменистого материала, называемого реголитом, они сталкиваются с электронами и рекомбинируют, образуя атомы водорода.

Затем атомы водорода могут мигрировать по поверхности Луны и связываться с атомами кислорода, которые уже присутствуют в большом количестве в таких минералах, как кремний, образуя молекулы гидроксила (ОН), компонента воды, а также сами молекулы воды (H ₂ O).

Ученые обнаружили доказательства наличия молекул гидроксила и воды в верхней поверхности Луны, всего в несколько миллиметров глубиной. Эти молекулы оставляют своего рода химический отпечаток — заметный провал в волнистой линии на графике, который показывает, как свет взаимодействует с реголитом. Однако с помощью имеющихся в настоящее время инструментов трудно определить разницу между гидроксилом и водой, поэтому ученые используют термин «вода» для обозначения либо одной, либо смеси обеих молекул.

Многие исследователи полагают, что основной причиной присутствия молекул является солнечный ветер, хотя другие источники, такие как удары микрометеоритов, также могут способствовать выделению тепла и запуску химических реакций.

Измерения космического аппарата уже намекнули, что солнечный ветер является основным двигателем воды или ее компонентов на поверхности Луны. Одна из ключевых подсказок, подтвержденная экспериментом команды Йео: спектральный сигнал лунной воды меняется в течение дня.

В некоторых регионах он сильнее прохладным утром и затухает по мере нагревания поверхности, вероятно, из-за того, что молекулы воды и водорода перемещаются или уходят в космос. Когда поверхность снова остывает ночью, сигнал снова достигает пика. Этот суточный цикл указывает на активный источник — скорее всего, солнечный ветер — пополняющий крошечные количества воды на Луне каждый день.

Чтобы проверить, правда ли это, Йео и ее коллега Джейсон Маклейн, научный сотрудник NASA Goddard, построили специальный аппарат для исследования лунных образцов Apollo. В первом случае аппарат содержал все компоненты эксперимента внутри: устройство для измерения солнечных частиц, безвоздушную камеру, имитирующую среду Луны, и детектор молекул. Их изобретение позволило исследователям избежать необходимости вынимать образец из камеры, как это было в других экспериментах, и подвергать его загрязнению от воды в воздухе.

«Потребовалось много времени и много итераций, чтобы спроектировать компоненты аппарата и разместить их все внутри, — сказал Маклейн, — но это того стоило, потому что, как только мы устранили все возможные источники загрязнения, мы узнали, что эта давняя идея о солнечном ветре оказывается верной».

Используя пыль из двух разных образцов, собранных на Луне астронавтами NASA Apollo 17 в 1972 году, Йео и ее коллеги сначала запекли образцы, чтобы удалить всю возможную воду, которую они могли собрать между герметичным хранилищем в космическом центре NASA Johnson Space Center в Хьюстоне и лабораторией Годдарда. Затем они использовали крошечный ускоритель частиц, чтобы бомбардировать пыль искусственным солнечным ветром в течение нескольких дней — эквивалент 80 000 лет на Луне, исходя из высокой дозы используемых частиц.

Они использовали детектор, называемый спектрометром, для измерения того, сколько света отражают молекулы пыли, что показало, как химический состав образцов менялся с течением времени.

В конце концов, команда увидела падение светового сигнала, который отразился от их детектора точно в той точке инфракрасной области электромагнитного спектра — около 3 микрон — где вода обычно поглощает энергию, оставляя характерный след.

Хотя ученые не могут однозначно сказать, образовались ли в ходе их эксперимента молекулы воды, в своем исследовании они сообщают, что форма и ширина провала в волнистой линии на их графике указывают на то, что в лунных образцах были образованы как гидроксил, так и вода.

Больше информации: Li Hsia Yeo et al, Hydroxylation and Hydrogen Diffusion in Lunar Samples: Spectral Measurements During Proton Irradiation, Journal of Geophysical Research: Planets (2025). DOI: 10.1029/2024JE008334

Источник: NASA