На Луне недостаточно просто найти воду. Ученым необходимо выяснить, в каком именно она состоянии — и теперь в этом поможет «спектральный след» минерала анортита.
Российские ученые предложили улучшить поиск воды на Луне с использованием инфракрасного анализа анортита — одного из основных минералов лунных образований. Исследование выполнили сотрудники лаборатории геохимии углерода имени Галимова Института геохимии и аналитической химии имени Вернадского (ГЕОХИ РАН). Результаты были опубликованы в журнале «Астрономический Вестник» / Solar System Research.
Анортит, или кальциевый плагиоклаз, имеет особое значение для исследования Луны: он является компонентом континентальной коры, которая занимает более 70% ее поверхности. Ученые исследовали, как изменяются инфракрасные спектры минерала в зависимости от наличия различных форм воды — H2O, D2O, HDO, а также гидроксильных групп OH и OD.
Основная цель работы заключается в том, что «сухой» и содержащий воду анортит по-разному реагируют на инфракрасное излучение. Вода может быть как частью кристаллической структуры минерала, так и находиться на поверхности его частиц. Эти изменения могут формировать характерные участки спектра — своеобразные «отпечатки», по которым можно определить наличие воды и ее изотопный состав.
Исследователи сопоставили численные модели, полученные с использованием алгоритма CUSTEP и модуля ALT в Biovia Materials Studio, с экспериментальными данными. Для измерений применяли инфракрасный Фурье-спектрометр ФТ-801 с приставками для пропускания и диффузного отражения, а также рамановский спектрометр inVia Renishaw Reflex.
Расчеты показали, что кристаллическая решетка анортита сохраняет свою стабильность при включении в нее гидроксильных групп и молекулярной воды. Эксперименты, в свою очередь, продемонстрировали образование сложной сети скоплений воды на поверхности минерала после увлажнения.
Лунный минерал может сообщать не только о воде, но и о ее происхождении
Особое значение имеет изотопный состав. В исследовании были проанализированы легкие и тяжелые формы воды, включая смешанную и чисто дейтериевую. По данным ученых, в полученных инфракрасных спектрах удалось подтвердить наличие изотопных форм OH/OD и HDO. Для надежного обнаружения D2O, как отмечается в работе, потребуются дополнительные дистанционные наблюдения в специально выбранных диапазонах.
Задача лунной геохимии на сегодняшний день заключается не только в том, чтобы ответить на вопрос о наличии воды на Луне. Важно понять, в каком состоянии она находится и каково соотношение изотопов водорода. Эти данные могут помочь осветить процессы, происходящие на поверхности Луны, и уточнить историю воды в лунном материале.
Результаты имеют практическое значение для дистанционного зондирования и анализа данных будущей орбитальной миссии «Луна-26». Отобранные исследователями участки ИК-спектра могут использоваться как характерные признаки присутствия различных форм воды в анортите.
Подход российских ученых основывается на уже доказанной эффективности инфракрасной спектроскопии в исследовании лунной воды. В 2020 году наблюдения NASA с использованием космической инфракрасной обсерватории SOFIA впервые подтвердили наличие молекул H2O на освещенной Солнцем поверхности Луны. В районе кратера Клавий их концентрация оценивалась в 100–412 частей на миллион — примерно как небольшая бутылка воды в кубическом метре лунного грунта.