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La geologia “sbilanciata” della Luna: nuove scoperte dagli scienziati
Gli scienziati dell’Università dell’Arizona hanno combinato simulazioni al computer e dati raccolti da sonde spaziali per risolvere un mistero di lunga data riguardante la geologia “sbilanciata” della Luna. Circa 4,5 miliardi di anni fa, un piccolo pianeta si è scontrato con la giovane Terra, lanciando in spazio rocce fuso. Lentamente, i detriti si sono aggregati, raffreddati e solidificati, formando la nostra Luna. Questo scenario è quello largamente accettato dalla maggior parte degli scienziati, ma i dettagli di come ciò sia avvenuto sono ancora oggetto di dibattito. I ricercatori dell’Università dell’Arizona Lunar and Planetary Laboratory hanno pubblicato un articolo su Nature Geoscience che offre importanti intuizioni sull’evoluzione dell’interno lunare e, potenzialmente, di pianeti come la Terra o Marte.
Le missioni Apollo e la composizione della Luna
La maggior parte delle conoscenze sull’origine della Luna deriva dalle analisi di campioni di roccia raccolti dagli astronauti delle missioni Apollo più di 50 anni fa, combinati con modelli teorici. I campioni di roccia lavica basaltica riportati dalla Luna mostravano sorprendentemente alte concentrazioni di titanio. Osservazioni satellitari successive hanno scoperto che queste rocce vulcaniche ricche di titanio sono principalmente situate sul lato vicino della Luna, ma come e perché siano arrivate lì è rimasto un mistero, fino ad ora.
Dinamiche interne e ribaltamento lunare
Poiché la Luna si è formata rapidamente e in condizioni di elevata temperatura, era probabilmente ricoperta da un oceano di magma globale. Mentre la roccia fusa si raffreddava e solidificava, si formavano il mantello lunare e la crosta luminosa che vediamo quando guardiamo la Luna piena di notte. Ma più in profondità, sotto la superficie, la giovane Luna era in uno stato di squilibrio. I modelli suggeriscono che gli ultimi residui dell’oceano di magma cristallizzarono in minerali densi, tra cui l’ilmenite, un minerale contenente titanio e ferro.
“Poiché questi minerali pesanti sono più densi del mantello sottostante, si crea un’instabilità gravitazionale e ci si aspetterebbe che questo strato affondasse più in profondità nell’interno lunare”, ha affermato Weigang Liang, che ha guidato la ricerca come parte del suo dottorato di ricerca presso LPL.
In qualche modo, nei millenni successivi, quel materiale denso è affondato nell’interno, si è mescolato con il mantello, si è fuso e è risalito in superficie come flussi di lava ricchi di titanio che vediamo oggi.
Indagare i misteri lunari
In uno studio precedente, guidato da Nan Zhang dell’Università di Pechino, che è anche coautore dell’articolo più recente, i modelli prevedevano che lo strato denso di materiale ricco di titanio sotto la crosta migrasse prima sul lato vicino della Luna, forse innescato da un impatto gigante sul lato opposto, e poi affondasse nell’interno in una rete di lastre simili a fogli, precipitando nell’interno lunare quasi come cascate. Ma quando quel materiale affondava, lasciava dietro di sé un piccolo residuo in un modello geometrico di corpi lineari di materiale denso e ricco di titanio sotto la crosta.
“Quando abbiamo visto queste previsioni dei modelli, è stato come se si accendesse una lampadina”, ha detto Andrews-Hanna, “perché vediamo lo stesso identico modello quando guardiamo a sottili variazioni nel campo gravitazionale della Luna, rivelando una rete di materiale denso nascosto sotto la crosta.”
Nel nuovo studio, gli autori hanno confrontato le simulazioni di un affondamento dello strato ricco di ilmenite con un insieme di anomalie gravitazionali lineari rilevate dalla missione GRAIL della NASA, le cui due sonde hanno orbitato attorno alla Luna tra il 2011 e il 2012, misurando piccole variazioni nella sua attrazione gravitazionale. Queste anomalie lineari circondano una vasta regione scura del lato vicino della Luna coperta da flussi vulcanici noti come mari.
Collegare le prove geofisiche e i modelli
Gli autori hanno scoperto che le firme gravitazionali misurate dalla missione GRAIL sono coerenti con le simulazioni dello strato di ilmenite e che il campo gravitazionale può essere utilizzato per mappare la distribuzione dei residui di ilmenite lasciati dopo l’affondamento della maggior parte dello strato denso.
“Le nostre analisi mostrano che i modelli e i dati raccontano una storia notevolmente coerente”, ha detto Liang. “I materiali di ilmenite sono migrati sul lato vicino e sono affondati nell’interno in cascate simili a fogli, lasciando dietro di sé un residuo che causa anomalie nel campo gravitazionale della Luna, come visto da GRAIL.”
Le osservazioni del team limitano anche il momento di questo evento: le anomalie gravitazionali lineari sono interrotte dai bacini di impatto più grandi e più antichi sul lato vicino e quindi devono essersi formati in precedenza. Basandosi su queste relazioni incrociate, gli autori suggeriscono che lo strato ricco di ilmenite è affondato prima di 4,22 miliardi di anni fa, il che è coerente con il suo contributo al vulcanismo successivo osservato sulla superficie lunare.
“Analizzare queste variazioni nel campo gravitazionale della Luna ci ha permesso di sbirciare sotto la superficie lunare e vedere cosa si nasconde al di sotto”, ha detto Broquet, che ha lavorato con Liang per dimostrare che le anomalie nel campo gravitazionale della Luna corrispondono a ciò che ci si aspetterebbe per le zone di materiale denso e ricco di titanio previste dai modelli di simulazione al computer del ribaltamento lunare.
Svelare la natura sbilanciata della Luna
Mentre il rilevamento delle anomalie gravitazionali lunari fornisce prove dell’affondamento di uno strato denso nell’interno lunare e consente una stima più precisa di come e quando si è verificato questo evento, ciò che vediamo sulla superficie della Luna aggiunge ancora più intrigo alla storia, secondo il team di ricerca.
“La Luna è fondamentalmente sbilanciata sotto ogni aspetto”, ha detto Andrews-Hanna, spiegando che il lato vicino rivolto verso la Terra, e in particolare la regione scura nota come regione di Oceanus Procellarum, è più bassa in elevazione, ha una crosta più sottile, è in gran parte coperta da flussi di lava e ha alte concentrazioni di elementi tipicamente rari come il titanio e il torio. Il lato opposto differisce sotto ciascuno di questi aspetti. In qualche modo, il ribaltamento del mantello lunare si pensa sia correlato alla struttura e alla storia uniche della regione di Procellarum sul lato vicino. Ma i dettagli di quel ribaltamento sono stati oggetto di notevole dibattito tra gli scienziati.
Implicazioni per le future esplorazioni lunari
“Il nostro lavoro collega i punti tra le prove geofisiche per la struttura interna della Luna e i modelli al computer della sua evoluzione”, ha aggiunto Liang.
“Per la prima volta abbiamo prove fisiche che ci mostrano cosa stava succedendo nell’interno della Luna durante questa fase critica della sua evoluzione, ed è davvero emozionante”, ha detto Andrews-Hanna. “Si scopre che la storia più antica della Luna è scritta sotto la superficie, e ci è voluta la giusta combinazione di modelli e dati per svelare quella storia.”
“I residui dell’evoluzione lunare precoce sono presenti sotto la crosta oggi, il che è affascinante”, ha detto Broquet. ”Le future missioni, come con una rete sismica, consentirebbero una migliore indagine sulla geometria di queste strutture.”
Liang ha aggiunto: “Quando gli astronauti di Artemis atterreranno infine sulla Luna per iniziare una nuova era di esplorazione umana, avremo una comprensione molto diversa del nostro vicino rispetto a quando gli astronauti di Apollo hanno messo piede per la prima volta su di essa.”
Riferimento: “Vestiges of a lunar ilmenite layer following mantle overturn revealed by gravity data” 8 aprile 2024, Nature Geoscience.
DOI: 10.1038/s41561-024-01408-2
