Η αναζήτηση νερού στο δορυφόρο μας ξεκινά ήδη από τη δεκαετία του 1960 ενώ, μετά την πρώτη προσελήνωση, μελέτες βασισμένες σε επιτόπιες μετρήσεις των αποστολών Apollo και αναλύσεις δειγμάτων του εδάφους από την σοβιετική αποστολή Luna 24 παρείχαν ενδείξεις ύπαρξης νερού. Ωστόσο το ενδεχόμενο επιμόλυνσης δειγμάτων από τις γήινες συνθήκες δεν μπορούσε να αποκλειστεί. Περισσότερα αποτελέσματα από τις αποστολές της δεκαετίας του 1990 και του 2000 τροφοδότησαν τις υποψίες περί ύπαρξης νερού, χωρίς, όμως, να παρέχουν αδιαμφισβήτητες αποδείξεις. Παρατηρήσεις των μετέπειτα αποστολών ήταν συμβατές με την ευρεία ύπαρξη χημικών ενώσεων που περιέχουν υδρογόνο και υδροξύλιο (μια ρίζα που αποτελείται από οξυγόνο και υδρογόνο και συναντάται στο νερό), αλλά πιθανόν όχι με μεγάλα αποθέματα νερού στο υπέδαφος. Πάντως, παρά τα διάφορα σενάρια που υποστηρίζουν, οι παρατηρήσεις δεν μπορούσαν να αποκλείσουν την ύπαρξη νερού παγιδευμένου στο έδαφος της Σελήνης, όχι μόνο στους πόλους όπου το ηλιακό φως δυσκολεύεται να φτάσει αλλά σε όλη την επιφάνεια.
Η πιθανή ύπαρξη νερού στη Σελήνη προκαλεί ερωτήματα, όπως ποια είναι η προέλευσή του, πώς διατηρείται, πώς μεταβάλλεται με την εναλλαγή φωτισμού και σκότους από τον Ήλιο και σε ποιες φυσικές και χημικές διαδικασίες συμμετέχει (π.χ. ένας κύκλος νερού αντίστοιχος με αυτόν της Γης). Άραγε η μορφή στην οποία βρίσκεται το νερό και η ποσότητά του το καθιστούν αξιοποιήσιμο από μελλοντικές αποστολές; Θα μπορεί να συλλεγεί με έναν ενεργειακά αποδοτικό τρόπο και να στηρίξει μια διαρκή ανθρώπινη παρουσία στη Σελήνη; Η τελευταία θα ήταν σημαντική όχι μόνο για μελλοντικά μακρύτερα διαστημικά ταξίδια αλλά και στο πλαίσιο της εκμετάλλευσης του υπεδάφους της Σελήνης, η οποία θα τροφοδοτούσε με τη σειρά της μια οικονομία βασισμένη σε εξωγήινους πόρους.
Στις 26 Οκτωβρίου δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature Astronomy δυο μελέτες με πολύ σημαντικά σχετικά αποτελέσματα. Η πρώτη διερεύνησε τις περιοχές που μπορεί να περιέχουν αποθηκευμένο νερό, με βάση εικόνες υψηλής ευκρίνειας της σεληνιακής επιφάνειας, ενώ το δεύτερο βασίστηκε σε φασματοσκοπικές παρατηρήσεις υπερύθρου για να παρουσιάσει τις πιο πειστικές, μέχρι στιγμής, ενδείξεις ύπαρξης νερού ακόμη και σε περιοχές που κυριολεκτικά λούζονται από το έντονο ηλιακό φως.
Ψυχρές παγίδες και μικρό-παγίδες στην σεληνιακή επιφάνεια
Η Σεληνιακή επιφάνεια είναι εκτεθειμένη στις απόκοσμες διαστημικές συνθήκες. Το άμεσο ηλιακό φως μπορεί να διασπάσει κάθε πολύπλοκο μόριο που μπορεί να υπάρχει στην πολύ λεπτή και αραιή σεληνιακή ατμόσφαιρα, συμπεριλαμβανομένου του νερού. Ωστόσο έχει υποτεθεί από τη δεκαετία του 1960 ότι μόρια νερού μπορούν να «επιβιώσουν» στις περιοχές της Σελήνης που είναι μόνιμα υπό σκιά. Παρόλο που δεν υπάρχει σκοτεινή πλευρά της Σελήνης, καθώς κατά την περιστροφή της η κάθε όψη της Σεληνιακής σφαίρας φωτίζεται περιοδικά, κάποιες περιοχές κοντά στους πόλους, κυρίως μέσα σε κρατήρες μπορεί να βρίσκονται συνεχώς στο σκοτάδι. Σε τέτοιες περιοχές έχει υποτεθεί ότι οι συνθήκες μπορούν να επιτρέψουν την «παγίδευση» μορίων νερού υπό τη μορφή κρυσταλλικού πάγου και για αυτό το λόγο έχουν ονομαστεί «ψυχρές παγίδες».
Οι Hayne, Aharonson και Schörghofer μελέτησαν το ποσοστό και το είδος αυτών των ψυχρών παγίδων στη Σεληνιακή επιφάνεια, χρησιμοποιώντας περισσότερες από πέντε χιλιάδες εικόνες από περιοχές της Σελήνης, τις οποίες παρείχε το Lunar Reconnaissance Orbiter. Αρχικά εντόπισαν τις σκιερές περιοχές, με σκοπό στη συνέχεια να εξακριβώσουν πόσες από αυτές τις περιοχές παραμένουν μόνιμα στη σκιά καθώς ο φωτισμός της Σελήνης μεταβάλλεται. Για να το επιτύχουν αυτό κατασκεύασαν μοντέλα των επιφανειών που παρατηρήθηκαν, υποθέτοντας ότι αυτές αποτελούνται από σχετικά ομαλούς κρατήρες, μεταξύ των οποίων παρεμβάλλεται τραχύ σεληνιακό έδαφος. Στη συνέχεια υπολόγισαν, με τη βοήθεια μοντέλων, τις θερμοκρασίες αυτών των περιοχών, ως αποτέλεσμα της συνδυασμένης έκθεσής τους στο άμεσο ηλιακό φως, σε αυτό που διαχέεται από τις παρακείμενες περιοχές καθώς και στη θερμότητα που μεταφέρεται μέσω αγωγής από τις περιοχές που θερμαίνονται περισσότερο. Με βάση αυτές τις παραδοχές κατέληξαν στον αριθμό και την έκταση των περιοχών που μένουν μόνιμα στη σκιά και μπορούν να «παγιδεύσουν» πάγο.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι ψυχρές παγίδες δεν εντοπίζονται μόνο στους πόλους αλλά σε μια ευρύτερη ζώνη γύρω τους, ως αποτέλεσμα του πολύπλοκου ανάγλυφου της επιφάνειας του δορυφόρου μας, με μεγέθη που κυμαίνονται από μερικά χιλιόμετρα ως μερικά εκατοστά. Μάλιστα, οι μικρότερες από αυτές τις περιοχές, τις οποίες ονομάζουν «ψυχρές μικρό-παγίδες» συνεισφέρουν ως και στο ένα πέμπτο της συνολικής επιφάνειας παγίδευσης του νερού.
Η σημασία της μελέτης έγκειται στο ότι προτείνει πώς το νερό στη Σελήνη ενδεχομένως να κατανέμεται σε μια ευρεία περιοχή, η οποία να προσφέρεται για εκμετάλλευση από μελλοντικές αποστολές. Μεγαλύτερες «αποθήκες» νερού, εφόσον είναι εκμεταλλεύσιμες μπορεί να οδηγήσουν σε λιγότερες μελλοντικές διαμάχες μεταξύ των κρατών ή εταιρειών που θα διεκδικήσει την εκμετάλλευση των σεληνιακών πόρων. Αξίζει να σημειωθεί ότι το ζήτημα αυτό ήδη απασχολεί και θα απασχολήσει περισσότερο στο μέλλον την διεθνή, όχι μόνο επιστημονική, κοινότητα, ειδικότερα εν όψει της νέας αποστολής ARTEMIS της NASA.
Θύλακες νερού στις φωτεινές περιοχές
Φαίνεται όμως πώς δεν είναι μόνο οι σκιερές περιοχές αυτές που μπορούν να φιλοξενήσουν νερό στη Σελήνη. Ομάδα επιστημόνων υπό την ηγεσία της Casey Honniball (Πανεπιστήμιο της Χαβάης και Goddard Space Flight Center της NASA) μελέτησαν το υπέρυθρο φως που εκπέμπεται από την επιφάνεια της Σελήνης, όταν αυτή φωτίζεται από το ηλιακό φως.
Η μελέτη τους βασίστηκε σε παρατηρήσεις από το υπέρυθρο παρατηρητήριο SOFIA και, πιο συγκεκριμένα, στην ακτινοβολία με μήκη κύματος γύρω από τα 6 μικρόμετρα (εκατομμυριοστά του μέτρου). Για σύγκριση, η ακτινοβολία αυτή έχει περίπου δέκα φορές μεγαλύτερο μήκος κύματος από το κόκκινο φως και, σύμφωνα με τους ερευνητές, οφείλεται σε χαρακτηριστικές ταλαντώσεις του μορίου του νερού. Ως εκ τούτου, ο εντοπισμός της εκπομπής αυτής από περιοχές της Σελήνης αποτελεί μια αξιόπιστη μέθοδο ανίχνευσης νερού. Από την ένταση της εκπομπής εκτιμήθηκε η αφθονία του νερού και διαπιστώθηκε ότι αυτό είναι αποτέλεσμα τοπικών «γεωλογικών» διεργασιών, πιθανότατα λόγω της πρόσκρουσης μετεωριτών. Οι επιστήμονες θεωρούν λιγότερο πιθανό το νερό αυτό να «μεταφέρθηκε» εκεί από μετεωρίτες. Αντιθέτως, υποστηρίζουν πως σχηματίστηκε επί τόπου, ως αποτέλεσμα της πρόσκρουσής τους και ότι είναι αποθηκευμένο μέσα σε γυαλί (που σχηματίζεται λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται κατά την πρόσκρουση) ή ανάμεσα στα κενά μεταξύ των κόκκων του σεληνιακού εδάφους.
Το πλεονέκτημα της μελέτης σε σχέση με παλαιότερες είναι ότι στηρίζεται σε εκπομπή ακτινοβολίας που είναι σχεδόν αποκλειστικό χαρακτηριστικό του μορίου του νερού. Προηγούμενες μελέτες είχαν βασιστεί στην υπέρυθρη ακτινοβολία με μήκος κύματος γύρω στα 3 μικρόμετρα, η οποία είναι χαρακτηριστική του δεσμού μεταξύ υδρογόνου και οξυγόνου (υδροξύλιο, ΟΗ), το οποίο, όμως, εμφανίζεται και σε άλλα μόρια πλην του νερού.
Αστρονομία υπερύθρου και το παρατηρητήριο SOFIA
Η υπέρυθρη ακτινοβολία ανακαλύφθηκε το 1800 από τον William Herschel και είναι ακτινοβολία με μήκη κύματος μεγαλύτερα από αυτά του ερυθρού τμήματος του ορατού φάσματος (επομένως αόρατη στα μάτια μας).
Η αστρονομία υπερύθρου μελετά την υπέρυθρη ακτινοβολία των ουράνιων αντικειμένων. Αναπτύχθηκε κυρίως μετά τα μισά του 20ου αιώνα όταν η επιστημονική κοινότητα διαπίστωσε πως τα αστρονομικά αντικείμενα εκπέμπουν «φως» και σε άλλες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, πλην του ορατού. Στο υπέρυθρο μπορούμε να παρατηρήσουμε φαινόμενα και σχηματισμούς που είναι συχνά αόρατα στο ορατό φως και μας δίνεται η δυνατότητα να μελετήσουμε τις ιδιότητες αντικειμένων όπως οι πλανήτες, τα νεφελώματα και οι γαλαξίες, να παρατηρήσουμε στιγμιότυπα από τη γέννηση και το θάνατο των άστρων, να εντοπίσουμε πολύπλοκα μόρια που σχηματίζονται σε σχετικά ψυχρές περιοχές, κ.α. Η μεγάλη πρόκληση στην αστρονομία υπερύθρου είναι η απορρόφηση μεγάλου μέρους των υπέρυθρων ακτινοβολιών από τους υδρατμούς της γήινης ατμόσφαιρας. Αυτός είναι ένας από τους λόγους που τα αντίστοιχα τηλεσκόπια τοποθετούνται σε ψηλές κορυφές βουνών ή στο διάστημα.
Ένα πολύ επιτυχημένο παράδειγμα παρατηρητηρίου υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι το SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy), αποτέλεσμα της συνεργασίας μεταξύ της NASA και του Γερμανικού Κέντρου Αεροδιαστημικής (DLR). Όπως δηλώνει το όνομά του, είναι ένα στρατοσφαιρικό παρατηρητήριο υπέρυθρης αστρονομίας. Πρόκειται για ένα αεροσκάφος Boeing 747SP, κατάλληλα διαμορφωμένο ώστε να μεταφέρει ένα τηλεσκόπιο με διάμετρο αντικειμενικού φακού 2.7 μέτρων και τα αντίστοιχα όργανα που αναλύουν και καταγράφουν την ακτινοβολία που αυτό συλλέγει. Οι παρατηρήσεις εκτελούνται εν πτήσει, όταν το αεροσκάφος βρίσκεται σε ύψος μεταξύ 13 και 15 χιλιομέτρων, δηλαδή ψηλότερα από το 99 % της ατμόσφαιρας που απορροφά μεγάλο μέρος της ακτινοβολίας. Πρόκειται για μια πολύ καλή μέση λύση μεταξύ ενός επίγειου και διαστημικού παρατηρητηρίου, επειδή βρίσκεται σε ύψος μεγαλύτερο από αυτό που θα μπορούσε να τοποθετηθεί ένα «συμβατικό» τηλεσκόπιο ενώ ταυτόχρονα η ομάδα που διαχειρίζεται το τηλεσκόπιο μπορεί να αναβαθμίσει τα όργανα και να συντηρήσει το τηλεσκόπιο μεταξύ των πτήσεων, κάτι που είναι πρακτικά αδύνατο για τα διαστημικά παρατηρητήρια. Οι παρατηρήσεις του SOFIA λαμβάνονται κατά τη διάρκεια δεκάωρων νυχτερινών πτήσεων, σε διάφορες περιοχές της υφηλίου.
Πηγές και περαιτέρω μελέτη
https://www.scientificamerican.com/article/water-found-in-sunlight-and-shadow-on-the-moon/
https://www.scientificamerican.com/article/beyond-the-shadow-of-a-doubt-water-ice-exists-on-the-moon/
https://www.nytimes.com/2020/10/26/science/moon-ice-water.html
https://www.nasa.gov/mission_pages/SOFIA/overview/index.html
Hayne, P.O., Aharonson, O. & Schörghofer, N. Micro cold traps on the Moon. Nat Astron (2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-1198-9
Honniball, C.I., Lucey, P.G., Li, S. et al. Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA. Nat Astron (2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-01222-x
