Descubrieron el origen de la tenue atmósfera de la Luna

Aunque la Luna carece de aire respirable, sí alberga una atmósfera apenas perceptible. Desde los años 1980, los astrónomos han observado una capa muy fina de átomos rebotando sobre la superficie lunar. Esta delicada atmósfera, conocida técnicamente como «exosfera», es probablemente producto de algún tipo de erosión espacial. Pero ha sido difícil determinar con certeza cuáles podrían ser esos procesos.

Ahora, los científicos del MIT y la Universidad de Chicago dicen haber identificado el proceso principal que formó la atmósfera de la Luna y continúa manteniéndola hoy. En un estudio que aparece en Science Advances, el equipo informa que la atmósfera lunar es principalmente un producto de «vaporización por impacto».

En su estudio, los investigadores analizaron muestras de suelo lunar recolectadas por astronautas durante las misiones Apolo de la NASA.

Su análisis sugiere que a lo largo de los 4.500 millones de años de historia de la Luna, su superficie ha sido bombardeada continuamente, primero por meteoritos masivos y luego, más recientemente, por «micrometeoroides» más pequeños, del tamaño del polvo.

Estos impactos constantes han levantado el suelo lunar, vaporizando ciertos átomos al contacto y lanzando las partículas al aire. Algunos átomos son expulsados ​​al espacio, mientras que otros permanecen suspendidos sobre la luna, formando una atmósfera tenue que se repone constantemente a medida que los meteoritos continúan golpeando la superficie.

Los investigadores descubrieron que la vaporización por impacto es el proceso principal por el cual la luna ha generado y mantenido su atmósfera extremadamente delgada durante miles de millones de años.

«Damos una respuesta definitiva: la vaporización por impacto de meteoritos es el proceso dominante que crea la atmósfera lunar», dice la autora principal del estudio, Nicole Nie, profesora adjunta del Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias del MIT.

«La luna tiene cerca de 4.500 millones de años y, durante ese tiempo, la superficie ha sido bombardeada continuamente por meteoritos. Demostramos que, con el tiempo, una atmósfera delgada alcanza un estado estable porque se repone continuamente mediante pequeños impactos en toda la luna».

Los coautores de Nie son Nicolas Dauphas, Zhe Zhang y Timo Hopp de la Universidad de Chicago, y Menelaos Sarantos del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA.

El papel de la meteorización

En 2013, la NASA envió un orbitador alrededor de la Luna para realizar un reconocimiento atmosférico detallado. El Explorador del entorno de polvo y atmósfera lunar (LADEE, pronunciado «laddie») tenía la tarea de recopilar de forma remota información sobre la delgada atmósfera de la Luna, las condiciones de la superficie y cualquier influencia ambiental sobre el polvo lunar.

La misión de LADEE fue diseñada para determinar los orígenes de la atmósfera de la Luna. Los científicos esperaban que las mediciones remotas de la composición del suelo y la atmósfera de la sonda pudieran correlacionarse con ciertos procesos de meteorización espacial que luego podrían explicar cómo se formó la atmósfera de la Luna.

Los investigadores sospechan que dos procesos de meteorización espacial desempeñan un papel en la formación de la atmósfera lunar: la vaporización por impacto y la «pulverización iónica», un fenómeno que involucra al viento solar, que transporta partículas cargadas de energía desde el Sol a través del espacio. Cuando estas partículas golpean la superficie de la Luna, pueden transferir su energía a los átomos del suelo y hacer que esos átomos se pudran y vuelen al aire.

«A partir de los datos de LADEE, parece que ambos procesos desempeñan un papel», afirma Nie.

«Por ejemplo, mostró que durante las lluvias de meteoritos, se ven más átomos en la atmósfera, lo que significa que los impactos tienen un efecto. Pero también mostró que cuando la luna está protegida del sol, como durante un eclipse, también hay cambios en los átomos de la atmósfera, lo que significa que el sol también tiene un impacto. Por lo tanto, los resultados no fueron claros ni cuantitativos».

Respuestas en el suelo

Para determinar con mayor precisión los orígenes de la atmósfera lunar, Nie analizó muestras de suelo lunar recogidas por astronautas durante las misiones Apolo de la NASA. Ella y sus colegas de la Universidad de Chicago adquirieron 10 muestras de suelo lunar, cada una de las cuales medía unos 100 miligramos, una cantidad minúscula que, según ella, cabría en una sola gota de lluvia.

Nie intentó primero aislar dos elementos de cada muestra: potasio y rubidio. Ambos elementos son «volátiles», lo que significa que se vaporizan fácilmente por impactos y pulverización iónica.

Cada elemento existe en forma de varios isótopos. Un isótopo es una variación del mismo elemento que consta del mismo número de protones pero un número ligeramente diferente de neutrones. Por ejemplo, el potasio puede existir como uno de tres isótopos, cada uno con un neutrón más y siendo ligeramente más pesado que el anterior. De manera similar, hay dos isótopos de rubidio.

El equipo razonó que si la atmósfera de la luna consiste en átomos que han sido vaporizados y suspendidos en el aire, los isótopos más ligeros de esos átomos deberían ser más fáciles de elevar, mientras que los isótopos más pesados ​​tendrían más probabilidades de volver a asentarse en el suelo.

Además, los científicos predicen que la vaporización por impacto y la pulverización de iones deberían dar como resultado proporciones isotópicas muy diferentes en el suelo. La proporción específica de isótopos ligeros y pesados ​​que permanecen en el suelo, tanto para el potasio como para el rubidio, debería revelar entonces el proceso principal que contribuye a los orígenes de la atmósfera lunar.

Con todo esto en mente, Nie analizó las muestras de Apolo triturando primero los suelos hasta convertirlos en un polvo fino y disolviéndolos después en ácidos para purificar y aislar las soluciones que contenían potasio y rubidio. A continuación, pasó estas soluciones por un espectrómetro de masas para medir los distintos isótopos de potasio y rubidio en cada muestra.

El equipo descubrió que los suelos contenían principalmente isótopos pesados ​​de potasio y rubidio. Los investigadores pudieron cuantificar la proporción de isótopos pesados ​​y ligeros de potasio y rubidio y, al comparar ambos elementos, descubrieron que la vaporización por impacto era probablemente el proceso dominante por el que los átomos se vaporizan y se elevan para formar la atmósfera de la Luna.

«Con la vaporización por impacto, la mayoría de los átomos permanecerían en la atmósfera lunar, mientras que con la pulverización iónica, muchos átomos serían expulsados ​​al espacio», afirma Nie.

«A partir de nuestro estudio, ahora podemos cuantificar el papel de ambos procesos, para decir que la contribución relativa de la vaporización por impacto frente a la pulverización iónica es de aproximadamente 70:30 o mayor». En otras palabras, el 70% o más de la atmósfera de la luna es producto de impactos de meteoritos, mientras que el 30% restante es consecuencia del viento solar.

«El descubrimiento de un efecto tan sutil es notable, gracias a la idea innovadora de combinar mediciones de isótopos de potasio y rubidio junto con un cuidadoso modelado cuantitativo», dice Justin Hu, un posdoctorado que estudia los suelos lunares en la Universidad de Cambridge, que no participó en el estudio.

«Este descubrimiento va más allá de comprender la historia de la luna, ya que estos procesos podrían ocurrir y podrían ser más significativos en otras lunas y asteroides, que son el foco de muchas misiones de retorno planificadas».

«Sin estas muestras de Apolo, no podríamos obtener datos precisos y medir cuantitativamente para comprender las cosas con más detalle», dice Nie. «Es importante para nosotros traer muestras de la Luna y otros cuerpos planetarios, para que podamos dibujar imágenes más claras de la formación y evolución del sistema solar».

Con información de Science