20.4.2023
Genom att studera månens geologiska historia kan man få grepp om utformandet av solsystemets och jorden. Konkreta materialsampel från månen har funnits att tillgå sedan slutet av 1960-talet och dessa har format den vetenskapliga uppfattningen om solsystemets kronologi. Nya sampel hämtade från den kinesiska robotlandningen år 2020 ställer dock besvärliga frågor till de etablerade uppfattningarna.
Vetenskapen om studiet av månen kallas selenologi eller selenografi. Innan den första bemannade månlandningen med Apollo 11-uppdraget 1969, och de fem påföljande Apollolandningarna, hade forskningen enbart bilder av månen att tillgå. De sovjetiska och amerikanska robotuppdrag som gjordes innan Apollo 11, utförde dels kraschlandningar på ytan, dels ”mjuka landningar” (det vill säga: farkosten förstördes inte), men inga sampel från månen hämtades hem från robotuppdragen innan den sovjetiska Luna 16-roboten lyckades med det år 1970. De bemannade månlandningarna var alltså startskottet för en helt ny era i selenologin.
– Månen är den himlakropp som ligger närmast oss. Månen har varken atmosfär eller ”väder” och dess yta påverkas inte heller av plattektonik då månens yta består av en enda platta. Det betyder att allting på ytan mer eller mindre ligger där det fallit för miljoner och miljarder år sedan och det i sin tur gör det möjligt att studera månens urhistoria och på samma gång också solsystemets och jordens historia, säger Evgenia Salin, forskardoktor vid ämnet geologi och mineralogi vid Åbo Akademi.
Foto: Marcus Prest.
De material Salin studerar kommer från sampel Apollo 16 och 17 hämtade med sig under mitten av 1970-talet.
– Men vi kommer att ansöka om att få tillgång till material som hämtades till jorden med det kinesiska Change’e-5-robotuppdraget år 2020. De samplen är intressanta eftersom de innehåller information som utmanar tidigare hypoteser om hur månens yta formats.
Hypotesen till månens tillblivelse, en hypotes som inte är utmanad, är att den formades då den himlakropp som skulle bli jorden kolliderade med en planet av Mars storlek. I kollisionen slungades material från planeternas skorpor och mantlar upp i jordens omloppsbana där dessa samlades och formades till den himlakropp vi kallar månen.
– Energin som frigjordes vid kollisionen gav upphov till mängder av smält material som formade Månens magmaocean. I magman segregerades kristaller och då bildades en plagioklasskorpa (bergartsbildande mineral) medan maffiska mineraler (basiska bergarter rik på magnesium och järn, red) sjönk ner mot kärnan.
– Under de senare faserna av segregeringen fick en kristallisering av de maffiska mineraler (bergarter rika på magnesium eller järn) bildandet av en vätska berikad med kalium, sällsynta jordartselement och fosfor. Den här vätskan bildade ett lager som kallas KREEP.
Månens terräng
Terrängen på månen består av två huvudtyper: ljusa högländer och mörka maria (latinets mare¸hav, i plural). Högländerna, terrae, antas vara det som återstår av kraterränderna från enorma meteoritnedslag – det vill säga; bergen på månen är inte formade av tektonik på samma sätt som bergen på jorden, utan av meteoritbombardemang.
Höjdskillnaderna på månen är ofta 6000 meter och de högsta bergen är över 9000 meter. Mariaområdena, på svenska månhav, är mörka lavafält som en gång misstogs för att vara just precis hav. Dessa har en relativt slät och kraterfri yta.
För tillfället jobbar jag med sampel som Apollo 16 hämtade till jorden. Samplen ser alltså ut som glaspärlor, eller det är glaspärlor som blivit till i hettan av nedslag eller vulkanutbrott.
Baserat på textur och komposition kan man urskilja fyra olika typer av månsten: högländernas anortosit och norit, och vulkanbasaltstenar eller marebasalt. Man ser också smältsten från nedslag och polymikt klastisk breccia dränkt i smältmassa och månregolit.
Månregolit, eller ”månsand” är ett finkornigt material som bildats av miljoner år av meteoritbombardemang; nedslagen har löst upp meteoriterna och material från månens skorpa och bildat ett tio meter djupt lager som lagt sig över hela månens yta. Materialet består av mineraler, stenfragment (av vulkanisk härkomst och nedslagshärkomst) och glaskulor. Glaskulornas medelstorlek är mellan 60 till 80 mikrometer (tillräckligt smått för att klassas som damm).
Metoder
Forskningen i månens geologiska historia domineras av nyttjandet av argon-argon dateringsmetoden. Det är en åldersbestämningsmetod som används allmänt inom geologin. Den går ut på att bestråla en provbit med neutronstrålning varefter provbiten förgasas med laser i en högvakumspektrometer. Det kalium som provbiten innehåller sönderfaller till argon. Sedan värms provbiten upp och det argon som finns i provbiten frigörs vid varje steg av uppvärmningen.
Genom att analysera det frigjorda argonets exakta komposition vid de olika upphettningstegen kan man åldersbestämma samplet med några procents noggrannhet.
– Men det finns ett par problem med den här metoden. För det första förstör argon/argon-metoden samplet. För det andra är argon som ämne betydligt yngre än den kemiska åldern hos uran, torium och bly. Uran, torium och bly; U-Th-Pb-metoden är en äldre åldersbestämningsmetod som använder mineralet zircon som består av kristalliserade uran- och toriumatomer. Zirkon stöter bort bly och eftersom man vet exakt hur snabbt uran sönderfaller till bly kan man utifrån mängden bly kring ett zirkonsampel och mängden uran inne i samplet åldersbestämma ämnet mycket noggrant (man får alltså reda på exakt när det bildats).
– Men här finns också ett problem radioaktiviteten i månsamplen och den låga halten bly i dem. Blyet antas ha försvunnit under meteoritbombardemanget eller under vulkanutbrott. Det gör att åldersbestämningen kompliceras. Men fördelen med U-Th-Pb-metoden är att man inte förstör det begränsade antal sampel som finns att tillgå.
Måndamm
Efter att materialet från kollisionen med proto-jorden samlats, gått ihop och bildats till en måne var den viktigaste fasen i formandet av månens yta ett tungt meteoritbombardemang. Nedslagen från bombardemanget blandade materialet från den existerande regoliten och skapade också nya material från berggrunden eller från gammal regolit och täckte nästan hela månens yta och begravde skorpan.
– Den modell vi har visar på en snabb minskning av meteoritnedslag för någonstans mellan 3,5 och 4,2 miljarder år sedan och att månens yta som vi ser den idag formades för cirka 3,9 miljarder år sedan. Men den hypotesen har delvis ogiltigförklarats i och med att det har konstaterats att det är möjligt att samplen som Apollo 14 och 15 hade med sig kan vara missvisande i meningen att de kom från samma typ av område.
Sampel från var den kinesiska Chang’e-5-sonden landade visar på en ökning i meteoritbombardemang för mindre än 800 miljoner år sedan. Frågan om hur man ska tolka den informationen är öppen.
– Genom att studera glaspärlorna som formats av nedslag och vulkanutbrott får vi en bild av månens insida och yta. Och det här borde ge oss en helare bild av månens historia.
– För tillfället jobbar jag med sampel som Apollo 16 hämtade till jorden. Samplen ser alltså ut som glaspärlor, eller det är glaspärlor som blivit till i hettan av nedslag eller vulkanutbrott. De här är tagna från de mellersta högländerna. Innan man börjar analysera den kemiska informationen och innan man börjar med åldersbestämningen är det viktigt att noggrant kontrollera glaspärlorna. Det gör man genom att kolla BSE bilder och genom att studera pärlorna i ett petrografiskt mikroskop.
BSE-bilder (back-scatter electron image) åstadkoms genom att bestråla ett sampel med en elektronstråle. En del av elektronerna fortsätter att kretsa kring atomkärnan på samma sätt som en satellit av gravitationen blir fångad i omloppsbana av massan hos en himlakropp. Genom att placera ett filter i elektronernas bana kan man åstadkomma en TV-bild. Olika ämnen har olika storlekar på sina atomkärnor och ju större kärnor desto fler elektroner i omlopp runt kärnan när den bestrålas och utifrån den informationen kan man bestämma vilket ämne det är man bestrålar.
Petrografiska mikroskop å sin sida används för att undersöka textur och egenskaper hos stenar och mineraler. Mikroskopet använder olika former av polariserat ljus och andra optiska tekniker.
– De här metoderna ger en vink om samplets homogenitet och visar också variationer i färg som kan hjälpa oss särskilja olika grupper av sten. De glaspärlor man väljer att analysera borde inte innehålla många inneslutningar av andra material. De borde inte heller innehålla fragment eller kristallbildningar eller sprickor. Så jag har sorterat ut glaspärlorna en och en och valt homogena, eller nästan homogena kulor för analys.
Efter en noggrann genomgång har Salin valt ut 467 pärlor. Analys av de dominerande elementen i pärlorna har visat att de är pikritiska som visar på den ursprungliga mantelkompositionen, basaltiska glas, förmodligen KREEP (se ovan) och aluminiumrika glas och en stor grupp av sten från högländerna.
– Ju mera exakt vi kan särskilja vad som är material från månens inre och vad som är nedslag, som vi sedan åldersbestämmer, kan vi också dra slutsatser om jordens historia. På månen hittar vi alltså det här materialet relativt opåverkat, som det fallit, för miljoner och miljarder år sedan.