Dai campioni lunari riportati dalla missione Chang’e-5, si stima che la vita del vulcanismo lunare risalga a 800-900 milioni di anni in più
I ricercatori cinesi hanno studiato i campioni lunari riportati dalla missione Chang’e-5 e hanno datato la roccia più giovane sulla Luna a circa 2 miliardi di anni, estendendo la “vita” del vulcanismo lunare di 800-900 milioni di anni in più rispetto a quanto precedentemente noto. Lo studio, condotto principalmente da un team di ricerca presso l’Istituto di Geologia e Geofisica (Igg) dell’Accademia cinese delle Scienze, è stato presentato in tre articoli di Nature e pubblicato online. L’anno scorso, la missione cinese Chang’e-5 ha recuperato campioni dalla Luna del peso di circa 1.731 grammi, i primi campioni lunari al mondo in oltre 40 anni. «La missione Chang’e-5 è stata un successo e i campioni lunari raccolti gettano nuova luce sull’evoluzione della Luna», ha spiegato Li Xianhua, accademico dell’Accademia cinese delle Scienze che ha guidato il team di ricerca. «Il magma della Luna si è solidificato e l’attività geologica è già cessata: la fine dell’attività vulcanica della Luna è considerata uno dei problemi principali nella sua storia evolutiva», sostiene Li Qiuli, capo del laboratorio di spettrometria di massa di ioni secondari dell’Igg.
La roccia più giovane datata dalle missioni Apollo e Luna e dai meteoriti lunari aveva circa 2,8-2,9 miliardi di anni. Tuttavia, sono necessari altri campioni e uno dei compiti di Chang’e-5 è quello di esplorare l’attività magmatica più giovane della Luna. «La superficie opaca che vediamo quando guardiamo la Luna al telescopio è dovuta al fatto che molti asteroidi si sono scontrati con essa nel corso di miliardi di anni. Le regioni con rocce più antiche nel tempo hanno sperimentato più crateri da impatto, mentre quelle con rocce più giovani hanno meno crateri», continua Li Qiuli. Utilizzando il metodo di cronologia noto come conteggio dei crateri, i ricercatori hanno dedotto che l’Oceanus Procellarum, il sito di atterraggio della missione Chang’e-5, molto probabilmente è stato anticamente testimone di una delle ultime eruzioni vulcaniche della Luna. I ricercatori potrebbero quindi calibrare i risultati del conteggio dei crateri con campioni datati con radioisotopi.
La datazione radioisotopica si basa sul principio che gli elementi radioattivi hanno tassi di decadimento costanti. Misurando le abbondanze relative degli isotopi genitore e figlia, i ricercatori sapranno per quanto tempo è durato il decadimento. Usando il microscopio, i ricercatori hanno selezionato manualmente i frammenti di roccia dai campioni lunari di tre grammi. Si tratta di un’operazione difficile come separare a mano la farina nera da quella bianca. La maggior parte di questi minerali adatti alla datazione misura solo un ventesimo del diametro di un capello. Li Qiuli spiega che il team di ricerca non solo si è preparato bene per studiare i campioni lunari recuperati dalla Cina, ma negli ultimi dieci anni ha continuamente sviluppato la tecnologia della sonda ionica, raggiungendo un livello di competenza riconosciuto a livello internazionale. «Avevamo le mani sudate mentre caricavamo il campione e accendevamo lo spettrometro di massa. Quando ci ha rivelato l’età non potevamo credere alla nostra fortuna. Ma volevamo esserne sicuri», ricorda Li Qiuli, aggiungendo che hanno effettuato più di 200 test.
In totale, il team ha analizzato 47 diversi frammenti di roccia estratti dai materiali campione e ha datato la roccia più giovane della Luna a 2,03 miliardi di anni. La nuova età estende la vita del vulcanismo lunare di 800-900 milioni di anni in più rispetto a quanto precedentemente noto. «La Luna ha una massa di appena l’1% di quella della Terra. Con queste dimensioni sorprendentemente piccole, avrebbe dovuto solidificarsi del tutto a un ritmo veloce, almeno in teoria. Il nostro team ha indagato ulteriormente sul perché l’attività vulcanica esisteva sulla Luna così tardi», spiega Li Xianhua. Gli scienziati lunari si sono concentrati su Kreep, acronimo costituito dalle lettere K (per potassio), Ree (per elementi delle terre rare) e P (per fosforo), che è un componente geochimico distintivo di alcune rocce lunari. «Un’ipotesi ampiamente accettata è che gli elementi radioattivi (U, Th e K) abbiano fornito il calore necessario per la tarda attività vulcanica. Poiché il Kreep è ricco di elementi radiogeni U, Th e K, si pensa che sia responsabile della giovane attività vulcanica», dice Yang Wei, un ricercatore dell’Igg. «Gli isotopi sono un modo efficace per identificare la componente Kreep, poiché sono come il Dna di una roccia e non cambiano attraverso l’evoluzione magmatica», spiega Yang.
Tuttavia, la difficoltà sta nelle piccole dimensioni dei clasti di basalto dei campioni lunari prelevati da Chang’e-5. È difficile ottenere i rapporti isotopici del basalto di Chang’e-5. «È come il test del Dna: serve una provetta di sangue grande, ma noi possiamo usare solo una goccia», spiega Yang. Grazie agli sforzi dell’istituto nel corso di un decennio, è stato sviluppato un metodo all’avanguardia per analizzare i campioni sotto forte ingrandimento, permettendo ai ricercatori di ottenere i rapporti isotopici di stronzio e neodimio di minerali specifici. I risultati hanno superato le aspettative. Il basalto di Chang’e-5, il più giovane datato finora sulla Luna, ha avuto origine da una fonte di mantello esaurito con una componente Kreep che misura meno dello 0,5% del suo peso. In altre parole, è improbabile che i componenti Kreep nel mantello lunare abbiano fornito il calore necessario alla tarda attività vulcanica.
Secondo gli scienziati, un’altra possibile causa dell’attività vulcanica sulla Luna in un’età così tarda è che il serbatoio del mantello potrebbe aver contenuto acqua in grado di ridurre il punto di fusione. «Il contenuto d’acqua del mantello lunare è una questione chiave per l’esplorazione del nostro satellite perché fornisce vincoli critici sulla formazione della Luna. Inoltre, poiché l’acqua può ridurre significativamente la temperatura di fusione delle rocce, considerarne l’abbondanza è importante per comprendere la storia del vulcanismo lunare», spiega Lin Yangting, un ricercatore dell’Igg. La grande discrepanza nelle stime dell’abbondanza d’acqua nel mantello lunare potrebbe essere attribuita principalmente al fatto che i campioni Apollo e i meteoriti lunari sono generalmente piuttosto vecchi. La maggior parte dei campioni lunari precedenti con contenuto d’acqua misurato risale a 3 miliardi di anni fa o ancora prima.
Rocce così vecchie potrebbero aver subito pesanti modifiche nel corso del tempo a causa dell’impatto di asteroidi e particelle provenienti dal Sole. «I campioni recuperati da Chang’e-5 provenivano da un singolo flusso di lava basaltica. Con un’impostazione geologica così semplice e chiara, i campioni, quindi, forniscono una buona opportunità per capire se il serbatoio del mantello a 2 miliardi di anni era pieno o secco», afferma Lin. Il team di ricerca ha analizzato il contenuto di acqua e gli isotopi di idrogeno delle sacche di fusione conservate in alcuni minerali nonché l’apatite, un minerale presente nei basalti di Chang’e-5 che può contenere acqua. «Abbiamo usato una sonda ionica su nano-scala chiamata nanoSims, uno spettrometro di massa a ioni secondari con un fascio di ioni fino a 50 nanometri di diametro. L’abbondanza relativa dei due isotopi dell’idrogeno (deuterio [D] e idrogeno [H]) può fungere da “impronta digitale” per tracciare i serbatoi di acqua e i processi magmatici coinvolti», continua Lin.
I risultati hanno indicato che la fonte del mantello dei basalti di Chang’e-5 era più secca rispetto al contenuto d’acqua stimato sulla base dei campioni Apollo e dei meteoriti lunari, escludendo quindi la possibilità che l’alto contenuto d’acqua nella fonte del mantello sia stato la causa dell’eruzione vulcanica più tarda. Il mistero dell’attività vulcanica lunare tardiva è ancora da risolvere. «Le nostre scoperte sollevano nuove domande per il futuro dell’esplorazione lunare e gli scienziati devono studiare ancora più a fondo il meccanismo di formazione del magma lunare», conclude Li Xianhua.
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