Les échantillons de lune collectés par les astronautes d'Apollo il y a un demi-siècle contiennent des réponses à des questions qui n'étaient même pas dans l'esprit des scientifiques à l'époque, alors que de nouveaux outils technologiques donnent un aperçu de certains des plus anciens mystères de la lune, la terre et le système solaire.

Le 20 juillet, 1969, alors que l'astronaute d'Apollo Neil Armstrong descendait de l'échelle du module d'alunissage "Eagle", il se retrouva entouré d'une mer grise – une étendue de poussière poudreuse qu'aucun humain n'avait jamais vue en personne. L'imprimé emblématique de sa botte gauche marqué mais la première étape d'un long voyage de découverte, une découverte sur la lune et notre propre monde, qui recèlent tous deux des secrets que les scientifiques commencent seulement à découvrir.

Cinquante ans après que les astronautes d'Apollo ont collecté des échantillons de roches lunaires et de poussière lors de leurs incursions à travers le paysage lunaire, il y a encore des mystères à résoudre, et un scientifique de l'Université de l'Arizona cherche des réponses. Jessica Barnes, un nouveau professeur assistant au Laboratoire lunaire et planétaire de l'UA, a récemment été sélectionné par la NASA pour avoir accès à des échantillons de roche lunaire précieusement non ouverts.

Dans le cadre de l'analyse d'échantillons Apollo Next Generation de la NASA, ou ANGSA, programme, Barnes aura accès à l'échantillon Apollo 17 71036, qui contient près de quatre onces de roche. Plusieurs échantillons de cette mission ont été initialement traités dans des conditions nominales de laboratoire, protégé de l'exposition à l'air par une armoire à azote à température ambiante, et ont ensuite été placés en chambre froide dans le mois suivant leur retour.

"Quand ces échantillons ont été ramenés, les conservateurs ont eu la clairvoyance de dire, « en ce moment, nous n'avons pas toutes les méthodes pour répondre à toutes les questions auxquelles ces échantillons pourraient nous aider à répondre » et ils ont donc enfermé certaines d'entre elles pour une étude future, " dit Barnes. " Ils ont réalisé que les technologies futures nous permettraient de faire des choses qui auraient été impossibles à l'époque, et que les gens poseraient de nouvelles questions, et c'est vraiment excitant parce que nous en sommes à ce moment-là maintenant."

Barnes est en quête de savoir d'où venait l'eau dans le système solaire primitif et comment elle a évolué au fil du temps. Recherche précédente, y compris certains de ses propres travaux, suggère que certaines roches spatiales connues sous le nom de chondrites carbonées ont apporté de l'eau avec elles lorsqu'elles ont heurté la Terre et Mars, et potentiellement certains des plus gros astéroïdes. Ce n'est pas un hasard si Bennu, l'astéroïde cible de la mission de retour d'échantillons OSIRIS-REx dirigée par UA, est une chondrite carbonée.

Suivez l'eau

"Pour comprendre d'où vient l'eau du système solaire, et surtout comment il s'est retrouvé sur Terre, Mars, et dans la ceinture d'astéroïdes, nous devons considérer la lune, " dit Barnes, dont les recherches actuelles portent sur le traçage des météorites aquatiques, dont certains d'origine martienne, et des échantillons de lune collectés lors d'Apollo 11, 14, et 17. « Comprendre comment la vie sur Terre a commencé est intimement liée à l'histoire de l'arrivée de l'eau ici. Les échantillons lunaires sont des pièces essentielles de ce puzzle car, contrairement à la Terre, où les roches les plus anciennes ont été en grande partie effacées par la tectonique des plaques, l'ancien record de roche de la lune est toujours intact."

Il y a environ 4,6 milliards d'années, quand une nébuleuse tourbillonnante de gaz et de poussière a commencé à s'effondrer en un disque qui donnerait naissance à notre système solaire, les planètes rocheuses et les chondrites carbonées se développaient en des lieux différents et à des époques différentes, Barnes explique, ce qui pose un problème pour le scénario impliquant les premiers astéroïdes comme signes avant-coureurs de l'eau.

« Il y a seulement 10 ans que de l'eau a été découverte sur la lune, non seulement en surface, mais aussi à l'intérieur des minéraux, " dit Barnes. " En science, c'est un délai assez court, et nous n'avons pas encore tout compris. Combien d'eau y a-t-il? Est-il venu de la Terre lors du grand impact que nous pensons avoir créé la lune, ou a-t-il été donné à la lune plus tard ? Est-il distribué uniformément ou en taches dans le manteau lunaire ? »

Pour trouver des réponses à de telles questions, Barnes, qui n'était même pas né lorsque les astronautes d'Apollo ont sillonné la surface lunaire à pied et avec leurs rovers, utilise une technologie qui n'a été inventée qu'au début des années 2000.

"Lorsque vous recevez votre échantillon pour la première fois, tu ne sais pas ce que tu regardes, donc vous commencez par une analyse visuelle, " Tom Zega dit, pointant vers un simple microscope à dissection, comme ceux utilisés dans les laboratoires scientifiques d'introduction. Zega est professeur agrégé de sciences planétaires, et la science et l'ingénierie des matériaux, et co-chercheur sur le projet ANGSA. Il est également directeur de l'installation d'imagerie et de caractérisation des matériaux Kuiper au LPL, une installation de pointe conçue avec un seul objectif :extraire un maximum d'informations des échantillons, à la fois terrestre et extraterrestre, que possible.

L'étude d'un morceau de roche lunaire au microscope optique n'est que la première étape d'une série de techniques d'analyse dont disposent les chercheurs de l'UA. Au bout se trouve un microscope électronique à transmission de 12 pieds de haut, ou TEM. Financé par la National Science Foundation et la NASA, son numéro de série est "1" car c'est le premier du genre au monde avec cette configuration exacte. Ses 200, Le faisceau d'électrons de 000 volts peut sonder la matière jusqu'à 78 picomètres, échelles trop petites pour le cerveau humain à comprendre.

"Si vous voulez savoir à quoi ressemble un atome de la naissance de notre système solaire, Je peux vous montrer, " dit Zega. Pour obtenir un échantillon là où il donne autant de détails sur son origine et son histoire, cependant, nécessite une suite d'instruments complexes et une expertise qu'aucune discipline ne peut fournir.

"Aujourd'hui, toute la science intéressante se passe à l'intersection de divers domaines, " dit Zega. " Dans mon groupe, nous avons des cosmochimistes, chimistes quantiques, astrophysiciens et astrodynamiques, entre autres. Ce travail requiert un mélange unique de connaissances et de compétences. Prenez le TEM, par exemple :c'est un outil de mécanique quantique, il faut donc être un expert en physique, la science des matériaux et la chimie à la fois."

A Nano-scale Excavator

Another instrument, called an electron microprobe, allows researchers to discover certain properties of a sample by scanning it with an electron beam. Comme il le fait, a spatial image of the sample emerges, in this case revealing an abstract, speckled landscape of light and dark areas that cosmochemists can read like a map.

"Heavier elements appear brighter, and lighter elements appear darker, " Zega says. "So this tells us, par exemple, where and how much iron there is compared to oxygen in a lunar sample."

Applying the same principle but scanning a sample with x-rays instead of electrons reveals a little more. When Barnes moves to the UA this fall, after wrapping up her current research at NASA's Johnson Space Center, she hopes to be able to expand the capacities of the Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility with a next-generation NanoSIMS instrument, which stands for nanoscale secondary ion mass spectrometry.

The beauty of this technology, dit Barnes, lies in its ability to analyze isotopes, essentially different "varieties" of chemical elements, at very small scales, less than one-fiftieth the width of a human hair. Measuring the composition of different volatile elements such as hydrogen and chlorine in the rock tells the researcher something about the chemical make-up of the magma from which the rock crystallized and how its chemistry evolved over time.

"These data allow us to understand the chemistry of the moon's interior, " she says. "Ultimately we are able to say something about how the moon evolved and where its water came from."

The possibilities don't end here. To a curator during the Apollo days, a focused ion-beam scanning electron microscope, or FIB-SEM, would have sounded like utter science fiction:By smashing the bonds between atoms inside the sample with a beam of heavy gallium ions, the instrument works essentially like a nano scale excavator, Zega explains.

"Except that compared to other FIBs, which act like shovels, this one is a scalpel, " il dit.

FIB-SEM allows scientists to cut out tiny pieces from a sample with high precision and analyze only those pieces. This technique recently enabled Zega's team to discover a grain of dust forged in the death throes of a star long before our solar system was born.

Untouched Samples

"What we want to know from our samples is, how well do they conform to how we think the solar system formed based on astrophysical models?" Zega says.

The same applies to the origin of the moon, Barnes says.

"It's not just analytical instruments that have improved. In the last 10 years major advancements in impact simulations and numerical modeling have allowed the community to simulate the speed, size and number of the bodies that might have been involved in creating the Earth-moon system."

Analyzing samples from extraterrestrial bodies goes beyond the origins of the Earth and the moon, bien sûr. They are critical pieces in the puzzle because they allow scientists to test hypotheses about formation processes in the solar system based on simulations and models.

"We have had lunar samples here for decades, " says Timothy Swindle, director of the LPL. "Our faculty have been studying the composition of the moon for a long time, and what's so special about these samples is that they were valuable 50 years ago, and they will be valuable 50 years from now."

When asked what the Apollo samples can tell us 50 years later, Barnes says:"Being able to study these previously unopened samples is like a whole new lunar sample return mission. Not only do we get to be a part of the history of opening these samples, but we also will be using this opportunity to study how curation practices, such as ambient versus cold storage, affect our ability to measure a lunar water signature.

"It's exciting because this has never been done before."