5 minuti di letturaCome mai c’è un po’ di ruggine sulla Luna?

Se lasciamo un pezzo di ferro per un tempo abbastanza lungo all’aperto, dopo un po’ vedremo formarsi delle croste rosse: quella è la ruggine.

Che cosa accade? Gli atomi di ferro reagiscono insieme agli atomi di ossigeno presenti nell’aria e formano un composto chiamato ossido di ferro (è più complicato, ma per i nostri scopi va bene così), dal caratteristico colore rosso. Oltre al ferro e all’ossigeno, ingrediente fondamentale per far procedere questa reazione è l’acqua, che nell’atmosfera terrestre non manca di certo.

Il pianeta Marte, per esempio, ha subito questo processo nel corso dei secoli. Il ferro presente nella superficie marziana ha reagito con l’ossigeno e il vapore acqueo (della pur oggi tenue) atmosfera del pianeta e ha prodotto ossidi di ferro: il pianeta rosso è così servito.

La notizia di cui vi parlo oggi è che anche sulla Luna, o meglio ai poli lunari come vedremo, ci sarebbe la ruggine: anche sulla Luna si sono formati ossidi di ferro, proprio come su Marte e sulla Terra.

Perché dovrebbe essere strano? In fondo basta avere ferro, acqua e ossigeno e il gioco è fatt…ah, no, aspettate: sulla Luna non c’è ossigeno e l’acqua non è tra le cose più abbondanti. Per capire che cosa sia successo sulla Luna, dobbiamo come sempre partire dal principio e riavvolgere il nastro delle recenti scoperte fatte riguardo la Luna.

I dati della sonda Chaandrayan-1: c’è acqua ai poli lunari

L’ISRO, l’agenzia spaziale indiana, ha inviato verso la Luna la sonda Chandrayaan-1. Questa sonda è entrata nell’orbita lunare l’8 novembre 2008. La sonda ha smesso di funzionare a fine agosto 2009, dopo meno di un anno. Eppure, come vedremo, oggi parleremo dei dati che Chandrayaan-1 raccolse durante i suoi 312 giorni in orbita lunare, grazie ad alcuni strumenti che aveva a bordo (prodotti, alcuni di questi, dalla NASA).

Mappa che mostra dove si trova l’acqua ai poli lunari (Crediti:NASA)

I dati della sonda Chandrayaan-1, rivisti e rielaborati oggi, mostrano la presenza di ruggine ai poli lunari (mi perdonino i puristi, d’ora in poi dirò sempre ruggine al posto di ossidi di ferro o altri elementi come ematiti).

Non solo. La sonda Chandrayaan-1, sempre durante quei famosi 312 giorni di attività, aveva già fornito le evidenze per un’altra grande scoperta annunciata nel 2018: la prova diretta dell’esistenza di acqua (o meglio, ghiaccio) ai poli lunari.

Questa acqua, come si vede dalla mappa qui a fianco, è incastrata nei crateri lunari: crateri, anche profondi, dove raramente batte il Sole e quindi l’acqua resiste e possiamo misurarla.

Le cose potrebbero avere senso, ora: la ruggine è stata trovata ai poli, guarda caso proprio dove sappiamo esserci acqua. Manca però all’appello ancora un ingrediente: l’ossigeno.

Ossigeno che fa l’autostop

Il Sole getta nello spazio una marea di particelle cariche con un sacco di energia: è ciò che chiamiamo vento solare. Quando questo vento solare arriva dalle parti della Terra, il campo magnetico che avvolge il nostro pianeta fa il suo lavoro e in sostanza ci scherma e protegge da questo flusso di particelle (che, tra le altre cose, è anche responsabile del fenomeno dell’aurora polare sulla Terra).

Il campo magnetico terrestre (disegno ASSOLUTAMENTE non in scala!).

Dobbiamo immaginare il campo magnetico terrestre come una specie di scudo che protegge il nostro pianeta dal vento solare. La forma di questo scudo è determinata non solo dal fatto di essere un campo magnetico, ma anche dal fatto che un lato di questo campo magnetico è costatemente colpito dal vento solare (perché guarda il Sole) e viene compresso, mentre l’altro lato è quasi modellato da questo vento, come se una persona con i capelli lunghi andasse controvento in moto. Per questo motivo il lato del campo magnetico terrestre opposto al Sole ha una forma piuttosto allungata.

Sulla Terra comunque c’è l’ossigeno nell’atmosfera. Può capitare che il vento solare, nel suo flusso di allontanamento dal Sole, nella parte allungata del campo magnetico terrestre possa trascinarsi via un po’ d’ossigeno dietro, come se si scendesse in kayak un torrente. In questo modo l’ossigeno si allontana dalla Terra e il campo magnetico terrestre si estende su una distanza molto grande, fino anche alla distanza a cui si trova la Luna. Quindi, magari, questo è il motivo per cui l’ossigeno arriva sulla Luna: parte dalla Terra e poi si fa dare un passaggio dal vento solare sulla superstrada del campo magnetico terrestre.

Tra l’altro, questo spiega anche perché la ruggine sia stata osservata praticamente solo sulla faccia della Luna che guarda la Terra.

La Terra salva la ruggine lunare

Risolto il problema dell’ossigeno, però, dobbiamo parlare di un altro fattore determinante per chiarire meglio il quadro: dobbiamo parlare dell’idrogeno.

Infatti, se il campo magnetico terrestre protegge per bene il nostro pianeta dal vento solare, non si può dire che avvenga la stessa cosa sulla Luna, la quale non ha un campo magnetico e quindi si becca tutto ciò che arriva dal Sole.

E così, la Luna si becca i nuclei di idrogeno, cioè i protoni, carichi e pieni di energia provenienti dal Sole. Questo è un problema per la formazione della ruggine, poiché con i nuclei di idrogeno che picchiano non si riesce a formare la ruggine a partire dal ferro delle rocce lunari. Tuttavia, c’è un momento in cui il campo magnetico terrestre riesce a riparare anche la Luna dall’invasione dell’idrogeno: è la fase di Luna piena, la fase in cui la Terra si trova proprio in mezzo tra la il Sole e la Luna. E qui, finalmente, in questa configurazione non c’è l’idrogeno a rovinare tutto: l’ossigeno risale con l’autostop magnetico, l’acqua si trova ai poli lunari, il ferro nelle rocce della Luna e tutto sembra finalmente incastrarsi per formare la ruggine che è stata effettivamente osservata. Abbiamo una teoria!

Siamo sicuri che le cose stiano proprio così?
Mappa lunare che mostra in blu dove si trova l’acqua e in rosso dove si trova il ferro. Si può notare come ai poli siano presenti sia il ferro sia l’acqua, due ingredienti essenziali su tre per formare la ruggine osservata proprio ai poli lunari. (Crediti: ISRO/NASA/JPL-Caltech/Brown Univ./USGS)

Dopo aver osservato un fenomeno e formulato una teoria, per vedere se le cose tornano dovremmo trovare un altro fenomeno che sarebbe previsto dalla teoria che abbiamo appena ideato. Per esempio, tutto ruota intorno all’autostop dell’ossigeno, il quale risale il campo magnetico dall’atmosfera terrestre fino ad arrivare sulla Luna.

Sappiamo che i nuclei atomici sono fatti di protoni: ogni tipo di atomo ha un certo numero di protoni, particelle con carica elettrica positiva, che lo differenzia da un altro tipo di atomo. L’ossigeno ha 8 protoni nel suo nucleo. Ma nel nucleo ci sono anche i neutroni, particelle con carica elettrica neutra, che in qualche modo fanno da cuscinetto fisico a tutti i protoni carichi positivamente che stanno appiccicati nel nucleo e che vorrebbero scappare via l’uno dall’altro. Il numero di neutroni in un nucleo può essere variabile: per esempio, esistono nuclei di ossigeno che hanno 8 protoni e 8 neutroni e in questo caso abbiamo quello che si chiama ossigeno-16. Ma abbiamo anche l’ossigeno-17 (con 9 neutroni) e l’ossigeno-18 (con 10 neutroni). L’ossigeno-18, con più neutroni, ha una massa maggiore dell’ossigeno-16.

Dunque, se la teoria dell’ossigeno autostoppista è vera, se cioè l’ossigeno sfugge alla Terra per arrivare sulla Luna, allora ci aspettiamo di trovare sulla Luna sicuramente più ossigeno-16 che ossigeno-18, perché l’ossigeno-16 è più leggero e quindi dovrebbe sfuggire più facilmente dalla Terra.

Allora non resta altro che misurare che tipo di ossigeno c’è nella ruggine lunare: se trovassimo soprattutto l’ossigeno-16 ecco che avremmo osservato un fenomeno che può essere bene spiegato dalla teoria dell’ossigeno autostoppista.

Quindi, per rispondere alla domanda del titolo di quest’ultimo paragrafo conclusivo di questo post: ovviamente non siamo sicuri di come stiano davvero le cose, del resto non siamo mai sicuri in scienza. Tuttavia, ci sono modi per capire se una teoria è plausibile: misurare in futuro l’abbondanza di ossigeno-16 nella ruggine lunare è uno di quei modi.

 

Fonti

Articolo scientifico della scoperta https://advances.sciencemag.org/content/advances/6/36/eaba1940.full.pdf

Rassegna stampa sul sito della NASA https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2020-171

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