Ay'da solunabilir hava bulunmasa da, zar zor var olan bir atmosfere ev sahipliği yapar. Gökbilimciler 1980'lerden bu yana Ay'ın yüzeyinde çok ince bir atom tabakasının sıçradığını gözlemlemişlerdir. Teknik olarak "ekzosfer" olarak bilinen bu hassas atmosfer muhtemelen bir tür uzay ayrışmasının ürünüdür. Ancak bu süreçlerin tam olarak ne olabileceğini kesin olarak saptamak zordu.
Şimdi, MIT ve Chicago Üniversitesi'nden bilim insanları, Ay'ın atmosferini oluşturan ve bugün de sürdürmeye devam eden ana süreci belirlediklerini söylüyorlar. Science Advances dergisinde bugün yayınlanan bir çalışmada ekip, Ay atmosferinin öncelikle "çarpma buharlaşması "nın bir ürünü olduğunu bildiriyor.
Araştırmacılar çalışmalarında, NASA'nın Apollo görevleri sırasında astronotlar tarafından toplanan Ay toprağı örneklerini analiz ettiler. Analizleri, Ay'ın 4,5 milyar yıllık tarihi boyunca yüzeyinin önce büyük meteorlar, daha sonra da daha küçük, toz boyutundaki "mikrometeoroidler" tarafından sürekli bombardımana tutulduğunu gösteriyor. Bu sürekli darbeler Ay toprağını tekmeleyerek temas halinde bazı atomları buharlaştırmış ve parçacıkları havaya fırlatmıştır. Bazı atomlar uzaya fırlatılırken, diğerleri Ay'ın üzerinde asılı kalarak, meteorlar yüzeye çarpmaya devam ettikçe sürekli yenilenen zayıf bir atmosfer oluşturuyor.
Araştırmacılar, çarpma buharlaşmasının, Ay'ın milyarlarca yıl boyunca son derece ince atmosferini ürettiği ve sürdürdüğü ana süreç olduğunu buldular.
Çalışmanın başyazarı, MIT'nin Dünya, Atmosfer ve Gezegen Bilimleri Bölümü'nde yardımcı doçent olan Nicole Nie, "Ay atmosferini yaratan baskın sürecin meteor çarpması buharlaşması olduğuna dair kesin bir yanıt veriyoruz" diyor. "Ay yaklaşık 4,5 milyar yaşında ve bu süre boyunca yüzeyi sürekli olarak meteor bombardımanına maruz kaldı. Sonunda, ince bir atmosferin sabit bir duruma ulaştığını gösteriyoruz çünkü Ay'ın her yerindeki küçük darbelerle sürekli olarak yenileniyor."
Ayrışma'nın Rolleri
2013 yılında NASA, detaylı bir atmosferik keşif yapmak üzere Ay'ın etrafına bir yörünge aracı gönderdi. Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE, "laddie" olarak telaffuz edilir), Ay'ın ince atmosferi, yüzey koşulları ve Ay tozu üzerindeki çevresel etkiler hakkında uzaktan bilgi toplamakla görevlendirildi.
LADEE'nin görevi Ay'ın atmosferinin kökenlerini belirlemek üzere tasarlanmıştı. Bilim insanları, sondanın toprak ve atmosfer bileşimine ilişkin uzaktan ölçümlerinin, Ay'ın atmosferinin nasıl oluştuğunu açıklayabilecek belirli uzay ayrışma süreçleriyle ilişkili olabileceğini umuyorlardı.
Araştırmacılar, Ay atmosferinin şekillenmesinde iki uzay ayrışma sürecinin rol oynadığından şüpheleniyor: çarpma buharlaşması ve "iyon püskürtme" — güneşten gelen enerji yüklü parçacıkları uzayda taşıyan güneş rüzgarını içeren bir fenomen. Bu parçacıklar Ay'ın yüzeyine çarptığında enerjilerini topraktaki atomlara aktarabilir ve bu atomları püskürterek havaya uçurabilirler.
Nie, "LADEE'nin verilerine dayanarak, her iki sürecin de bir rol oynadığı görülüyor" diyor. "Örneğin, göktaşı yağmurları sırasında atmosferde daha fazla atom gördüğünüzü, yani çarpmaların bir etkisi olduğunu gösterdi. Ancak aynı zamanda, ay güneşten korunduğunda, örneğin bir tutulma sırasında, atmosferdeki atomlarda da değişiklikler olduğunu, yani güneşin de bir etkisi olduğunu gösterdi. Dolayısıyla sonuçlar net ya da nicel değildi."
Cevaplar Toprakta
Nie, Ay atmosferinin kökenini daha kesin bir şekilde saptamak için NASA'nın Apollo görevleri boyunca astronotlar tarafından toplanan Ay toprağı örneklerine baktı. Kendisi ve Chicago Üniversitesi'ndeki meslektaşları, her biri yaklaşık 100 miligram ölçülerinde olan ve tek bir yağmur damlasına sığacağını tahmin ettiği küçük bir miktar olan 10 Ay toprağı örneği aldı.
Nie ilk olarak her örnekten iki elementi izole etmeye çalıştı: potasyum ve rubidyum. Her iki element de "uçucudur", yani çarpma ve iyon püskürtme ile kolayca buharlaşırlar. Her element birkaç izotop şeklinde bulunur. Bir izotop, aynı elementin aynı sayıda protondan ancak biraz farklı sayıda nötrondan oluşan bir varyasyonudur. Örneğin potasyum, her biri bir nötron daha fazla olan ve sonuncusundan biraz daha ağır olan üç izotoptan biri olarak var olabilir. Benzer şekilde rubidyumun da iki izotopu vardır.
Ekip, eğer Ay'ın atmosferi buharlaşan ve havada asılı kalan atomlardan oluşuyorsa, bu atomların daha hafif izotoplarının daha kolay havada kalması gerektiğini, daha ağır izotopların ise toprağa geri yerleşmesinin daha muhtemel olacağını düşündü. Dahası, bilim insanları darbeyle buharlaşmanın ve iyon püskürtmenin toprakta çok farklı izotopik oranlara yol açacağını öngörmektedir. Hem potasyum hem de rubidyum için toprakta kalan hafif ve ağır izotopların spesifik oranı, Ay atmosferinin kökenine katkıda bulunan ana süreci ortaya çıkarmalıdır.
Tüm bunları göz önünde bulunduran Nie, Apollo örneklerini önce toprakları ince bir toz haline getirerek, ardından potasyum ve rubidyum içeren çözeltileri saflaştırmak ve izole etmek için tozları asitlerde çözerek analiz etti. Daha sonra bu çözeltileri bir kütle spektrometresinden geçirerek her bir örnekteki potasyum ve rubidyumun çeşitli izotoplarını ölçtü.
Sonunda ekip, toprakların çoğunlukla hem potasyum hem de rubidyumun ağır izotoplarını içerdiğini buldu. Araştırmacılar hem potasyum hem de rubidyumun ağır ve hafif izotoplarının oranını ölçebildiler ve her iki elementi karşılaştırarak, çarpma buharlaşmasının büyük olasılıkla atomların buharlaştığı ve Ay'ın atmosferini oluşturmak için yükseldiği baskın süreç olduğunu buldular.
Nie, "Çarpma buharlaşması ile atomların çoğu Ay atmosferinde kalırken, iyon püskürtme ile çok sayıda atom uzaya fırlatılır" diyor. "Çalışmamız sayesinde artık her iki sürecin de rolünü ölçebiliyoruz ve çarpma buharlaşmasına karşı iyon püskürtmenin göreceli katkısının yaklaşık 70:30 veya daha büyük olduğunu söyleyebiliyoruz." Başka bir deyişle, Ay'ın atmosferinin yüzde 70 veya daha fazlası göktaşı çarpmalarının bir ürünü iken, kalan yüzde 30'u güneş rüzgarının bir sonucudur.
Cambridge Üniversitesi'nde ay toprakları üzerine çalışan ve çalışmaya dahil olmayan doktora sonrası araştırmacı Justin Hu, "Potasyum ve rubidyum izotop ölçümlerini dikkatli, nicel modelleme ile birleştiren yenilikçi fikir sayesinde böylesine ince bir etkinin keşfi dikkate değer" diyor. "Bu keşif, Ay'ın tarihini anlamanın ötesine geçiyor, çünkü bu tür süreçler, planlanan birçok geri dönüş görevinin odak noktası olan diğer uydularda ve asteroitlerde de meydana gelebilir ve daha önemli olabilir."
Nie, "Bu Apollo örnekleri olmadan, kesin veriler elde edemez ve olayları daha ayrıntılı anlamak için niceliksel olarak ölçemezdik" diyor. "Ay'dan ve diğer gezegen cisimlerinden örnekler getirmek bizim için önemli, böylece güneş sisteminin oluşumu ve evrimi hakkında daha net resimler çizebiliriz."