Mi értelme volt a Holdra szállásnak tudományos szempontból?

50 évvel ezelőtt Neil Armstrong és Buzz Aldrin amerikai űrhajósok a Holdon végrehajtott bravúros landolásukkal új korszakot nyitottak az emberiség történetében. A hidegháborús űrversenyt lényegében lezáró esemény hatalmas szimbolikus, geopolitikai és technikai diadal volt az Egyesült Államok számára. Arról viszont általában már kevesebb szó esik, hogy az Apollo–11 és az azt követő küldetések áttörő jelentőségűnek bizonyultak a tudomány és a bolygókutatás számára is.

Az Apollo–11 és a Nyugalom tengere

A Nyugalom tengerének (Mare Tranquillitatis) nevezett lávasíkságra 1969. július 20-án, magyar idő szerint 21:17-kor megérkező Apollo–11 teljesítette John F. Kennedy amerikai elnök 1961-es, rendkívül ambiciózus célkitűzését, hogy az évtized végéig az Egyesült Államok embert juttat a Holdra. A nem teljesen problémamentes, de végül sikeresen végrehajtott landolást követően nagyjából két és fél órás holdsétára volt ideje Neil Armstrongnak és Buzz Aldrinnak, mielőtt vissza kellett térniük a holdkompba.

Ez a 2,5 óra azonban éppen elég volt ahhoz, hogy később az űrhajósok által végzett munka alapján a tudományos közösség szenzációs felfedezéseket tegyen a Hold és a Naprendszer történetéről. Nem sokkal az idei, ötvenéves évforduló előtt Bradley L. Jolliff és Mark S. Robinson bolygókutatók a Physics Todayben megjelent tanulmányukban foglalták össze az Apollo–11 és a későbbi küldetések tudományos jelentőségét.

Buzz Aldrin lábnyoma a holdi talajbanForrás: NASA

Mint írják, az Apollo–11 űrhajósainak lépései feltárták a holdi talaj alapvető tulajdonságait, felderítették a leszállóhelyhez közeli krátereket, az elhelyezett tudományos műszereik, köztük a Föld-Hold távolság precíz meghatározására szánt lézerreflektorok és holdrengések megfigyelésére kihelyezett szeizmométerek  pedig az első betekintést engedték a Hold belsejének szerkezetébe. Tudományos szempontból a legfontosabbnak azonban az űrhajósok által gyűjtött kőzet- és talajminták bizonyultak.

Mi derült ki az Apollo–11 által visszahozott mintákból?

A küldetés során az űrhajósok 22 kilogrammnyi kőzetmintát gyűjtöttek, köztük a kövek között kitöltő anyagként elhelyezett holdi regolit-talajjal. Ezek az „Armstrong kitöltő talajaként” becézett, finomszerkezetű porszemkollekció Joliff és Robinson szerint talán a történelem során legtöbbet vizsgált geológiai mintákká váltak. A holdi regolitot mikro- és nagyobb meteoritok becsapódásai, valamint a Napból, illetve kozmikus forrásokból származó sugárzás hatása hozta létre az évmilliárdok alatt. Összetételét tekintve változatos kőzettörmelékből, becsapódások során keletkező üveggömböcskékből és porból áll.

Buzz Aldrin a Nyugalom tengerén a holdkomp mellett felállított amerikai zászló mellett.Fotó: NASA/Neil Armstrong

Mint a kutatók tanulmányukban írják, az összegyűjtött kőzetek többsége vulkanikus bazalt volt, amelyek a földi bazaltoknál magasabb arányban tartalmaztak titánt, de egyébként azok ásványi összetételére emlékeztettek. A radioizotópos kormeghatározásuk arra utalt, hogy a minták 3,5 milliárd évnél idősebbek. A kőzetek és a regolit izotópos összehasonlításával sikerült azt is megállapítani, hogy a Hold rendkívül régen, 4,4 milliárd évnél korábban keletkezett. Az Apollo–11 mintáiból az is kiderült, hogy szinte hiányoznak belőlük az olyan illékony molekulák, mint a víz  vagy a szén-dioxid. Nem meglepő módon a mintákban semmilyen életre utaló nyomot nem találtak, ami a Hold viszonyait ismerve már akkor sem igazán lepett meg senkit.

Az Apollo-11 űrhajósai által a holdkomp közelében gyűjtött talajminta.Fotó: NASA/JSC

Ezek a parányi, Armstrong és Aldrin által gyűjtött regolitminták felbecsülhetetlen értékűnek bizonyultak a bennük található változatos anyagok és kőzetdarabkák miatt, amelyek földi laboratóriumokban történő vizsgálatával a geológusok meg tudták állapítani a Hold korai történetének fontosabb mozzanatait. A talajminták anyagának nagy része a leszállóhelytől távoli meteorit- és kisbolygó-becsapódások során keletkezett. Az így létrejött vulkanikus és becsapódási üvegek, valamint törmelékkő-darabkák alkotják a holdi talaj egy részét, keveredve a mikrometeorit-becsapódások során keletkező, üveggömböcskékre emlékeztető szemcsékkel és távoli felföldekről származó, plagioklászoknak nevezett földpátokat tartalmazó kőzetekkel. 

Joliff és Robinson kiemeli, hogy az 1970-es években John Wood bolygókutató állapította meg kollégáival, hogy ezek a földpátkristályok az egykori magmaóceán felszínén úsztak, amelyből később létrejött a plagioklászokban gazdag kéreg, a sűrűbb ásványok (piroxének és olivinek) pedig lejebb süllyedtek, és létrehozták a holdköpenyt.

A kőzetminták tényleg mindent megváltoztattak

Az Apollo-küldetések során az űrhajósok összesen 382 kilogramm kőzet- és talajmintát gyűjtöttek, közel 2 ezer különböző helyről. Emellett három darab, egyenként 2 méter mély furatlyukmintát vettek a Hold regolittalajából. Nehéz elképzelni, hogy az együttvéve rendelkezésükre álló, 3,4 napnyi holdfelszíni űrséta alatt ennél jobb eredményt lehetett volna elérni. Ezt mutatja az is, hogy a visszajuttatott kőzetminták elemzése mai napig tart a világ vezető kutatóintézeteiben.

Ian Crawford brit bolygókutató és asztrobiológus egy 2012-ben írt tanulmányában részletesen bemutatja, hogy számára miért a kőzetminták jelentősége tűnik a leginkább alábecsültnek az Apollo-program örökségéből. Crawford úgy véli, hogy az Apollo-küldetések űrhajósainak munkája a modern bolygókutatás alapjait fektette le.

Crawford szerint a legfontosabb kőzetminták vizsgálatából származó eredmény a holdi kráterkeletkezési ráta időbeni kalibrációja volt, főképpen a minták nagy része által lefedett, 3,8-tól 3,2 milliárd évvel ezelőttig tartó időtartamban. Ez elsőre minimális jelentőségű dolognak hangzik, mégis hatalmas tudományos előrelépést jelentett. A bolygótudományban egy felszín kráterezettsége (azaz a rajta lévő kráterek száma) annak korára utal. A lehető legpontosabb érték megállapításához azonban valamilyen kalibrációra van szükség, amire csak egy adott területről származó kőzetminták korának megállapításával és ennek krátersűrűséggel való összevetésével volt lehetőség. Mivel a mai napig csak égi kísérőnkről állnak rendelkezésre ismert helyről származó kőzetminták, kizárólag a Hold esetén volt lehetőség ennek elvégzésére.

Egy az Apollo–11 által visszahozott kőzetmintadarabFotó: NASA/JSC

A minták elsőként tették lehetővé annak megállapítását, hogy a Hold felszíni régiói mikor keletkeztek. Ez a kráterezettségi ráta azonban korántsem csak a Hold geológiájának megértése miatt volt kulcsfontosságú: bizonyos finomhangolásokkal a bolygókutatók elkezdték az összes naprendszerbeli égitestre használni. A mai napig az Apollo-űrhajósoknak köszönhető kalibráció segít következtetni például a marsi felszín különböző részeinek keletkezési idejére is, bár a kőzetminták kormeghatározásának területén is innovatív Curiosity marsjáró, valamint a Mars 2020-al kezdődő mintavisszahozatal ezen idővel változtathatnak. Nem véletlen tehát, hogy ma a Mars-kutatás fő célkitűzése az, hogy mintákat hozzanak vissza a bolygó felszínéről a földi laboratóriumokba.

Szinte ugyan ilyen fontos volt Crawford szerint az is, hogy mit árultak el a változatos helyekről gyűjtött minták a Hold létrejöttéről. A kutatók azt találták, hogy a holdi kőzetek összetétele a Föld köpenyére emlékeztet – szinte azzal egyező izotóparányokkal. Emellett megállapították, hogy a Holdon kevés illékony anyag található a Földhöz képest, és az égitest valószínűleg egy kis vasmaggal rendelkezik. Ezek a bizonyítékok vezettek a jelenleg elfogadott „becsapódási elmélethez”, miszerint a Hold egy közel Mars méretű égitest Földünkkel való ütközése során keletkezett, 4,5 milliárd évvel ezelőtt. Crawford felhívja a figyelmet, hogy mindez nemcsak a Föld és a Hold keletkezése szempontjából érdekes, hanem azt is megmutatja, hogyan keletkezhettek bolygók bolygókezdemények összeállásából a Naprendszer hajnalán. A New Horizons űrszonda által idén január 1-jén meglátogatott 2014MU69 (becenevén: Ultima Thule) bolygókezdemény vizsgálata még tovább erősíti a bolygókeletkezés ezen jelenleg elfogadott akkréciós-modelljét. Nyilvánvaló továbbá, hogy ez a bolygókeletkezési folyamat nem csak a mi Naprendszerünkben, hanem szinte az egész univerzumban érvényes lehet.

A holdi kőzetminták természetesen magának a Holdnak a geológiai történetéről árulkodnak a leginkább. Mivel belső aktivitás hiányában egy nem sokat változó világról van szó, a felszín a bolygókeletkezés korai fázisának folyamatairól tanúskodik. Crawford ilyennek tartja a magformálódást, a magmaóceán és a kéreg korai vulkáni aktivitáson keresztüli kialakulását is. A Hold így általában a kőzetbolygó-formálódás megértésének alapjául szolgál.

A holdi regolittalaj és belőle összeálló regolit-törmelékkő a Hold elmúlt néhány milliárd éves történetének lenyomatát is tartalmazza, mert megőrzik a a napszél részecskéinek, a kozmikus sugárzásnak és meteoritok becsapódásának hatásait is. Ez utóbbi nagyon fontosnak bizonyult annak megértésében, hogy miként változott időben a korai Naprendszerben a kisbolygókkal való ütközési gyakoriság és a kisbolygók összetétele.

Az Apollo-minták még az olyan mai űrszondás küldetéseket is segítik, mint a NASA Lunar Reconnaissance Orbitere, mert lehetővé teszik a szondák műszereinek precíz beállítását az ismert összetételű leszállóhelyek alapján. Azok így az egész holdfelszín kémiai és ásványi összetételét képesek nagy pontossággal felderíteni.

Hátrahagyott lézerreflektorok

A visszahozott minták mellett érdemes kitérni az űrhajósok által folytatott geofizikai vizsgálatokra is, amelyekhez hasonlókat végez ma az InSight űrszonda a Marson. Ezek közé tartozik a holdrengéseket figyelő szeizmométerek és a felszín alatti mélységgel növekvő geotermikus gradienst mérő talajszondák (az Apollo–15 és 17 küldetéseken) elhelyezése a Hold belső szerkezetének vizsgálatára, valamint gravitációs és mágneses mérések is. Külön kiemelendő a Föld és a Hold pontos távolságának mérésére használható, űrhajósok által elhelyezett lézerreflektorok.

Az előtérben az Apollo-11 űrhajósai által telepített szeizmométer, kicsivel mögötte pedig a lézerreflektor látható.Fotó: NASA/Neil Armstrong

Az InSight Marsra érkezése előtt csak a Holdról állt rendelkezésre megbízható szeizmikus információ. Az űrhajósok által kihelyezett berendezések természetes holdrengéseket fedeztek fel, segítették a kéreg és a köpeny szerkezetének megértését, valamint alapvető információkat szolgáltattak a Hold magjáról is. A több mint 40 évvel ezelőtti mérések modern módszerekkel történő újrafeldolgozása a mai napig izgalmas felfedezésekhez vezet a Hold belső szerkezetével kapcsolatban.

Fennmaradó kérdések

Az Apollo program és az utóbbi évtizedek űrszondás küldetései természetesen nem voltak képesek minden Holddal kapcsolatban fennálló kérdést megválaszolni. A talán legfontosabb, Crawford tanulmányában felvázolt kérdéskör a feltételezések szerint 4-3.8 milliárd évvel ezelőtti, úgynevezett késői nagy bombázás (late heavy bombardment) periódust érintené. Ekkor elméletileg rengeteg kisbolygó ütközött a kőzetbolygókkal, így a Földdel is. Ennek rendkívül jelentős hatásai lehettek a Föld korai viszonyaira és a földi élet kialakulására is - már ha igaz a hipotézis, ami az utóbbi években erősen megkérdőjeleződött. A késői nagy bombázás hipotézisének kétségessé válásával párhuzamosan egyre inkább úgy tűnik, hogy az élet a Földön a korábban gondoltnál hamarabb, közel 4 milliárd évvel ezelőtt alakulhatott ki. A Holdról származó további kőzetminták segíthetnek a kisbolygó záport övező vita végleges eldöntésében.

Emellett Crawford még fontosnak tartaná a 3-tól 1 milliárd évvel ezelőttig tartó kráterezési ráta pontos megállapítását, amelyhez ebből a periódusból származó mintákra lenne szükség, továbbá a Hold mélyéből származó anyagok vizsgálatát, amiben a kínai Yutu-2 holdjáró mostanában komoly előrelépést tett.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten:

Lángokban áll a Föld

Egy katasztrófafilm elejére emlékeztet, ami a napokban történik: az amúgy is klímaszorongásban élő emberiség egyszer csak arra ébred, hogy világszerte lángolnak az erdők.