Ludek Pesek (Kladno, Rep. Ceca, 1919 – Staefa, CH, 1999) – Artwork of Moon’s surface with Earth in the sky

Acqua sulla Luna, a 10 anni dalla scoperta

di Vincenzo Rampolla

La scoperta

A ottobre 2020, Nature Astronomy ha pubblicato lo studio in cui il telescopio Sofia, ha dato la prima prova diretta e inequivocabile della presenza di molecole d’acqua sulla Luna, anche al di fuori delle regioni dei poli lunari in perenne ombra. Da tempo gli scienziati sospettavano che sulla Luna ci fosse acqua ovunque, almeno da quando nel 2009 le misure con il Moon Mineralogy Mapper, spettrometro Nasa a bordo dell’orbiter lunare indiano Chandrayaan-1, avevano indicato che l’acqua potesse essere presente su tutta la superficie e non solo ai poli. Oggi è giunta la conferma da Sofia (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy), il telescopio volante della Nasa e dell’Agenzia Spaziale tedesca Dlr, installato nella fusoliera di un Boeing 747SP. Lo studio è stato pubblicato insieme alla valutazione dell’enorme quantità di ghiaccio d’acqua in apparenza intrappolata nelle zone d’ombra permanente della Luna. È il fenomeno delle cold traps (trappole fredde), regioni della superficie lunare situate al buio ininterrotto e in cui si ipotizza che il ghiaccio d’acqua resti bloccato. Per la prima volta nello studio viene mappata la distribuzione delle cold traps su piccole scale di dimensioni medie tra 1 km e 1 cm, rivedendo la stima delle aree in cui il ghiaccio ha potuto accumularsi. Confrontando i modelli teorici con i dati del LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) della Nasa, si ritiene che 10-20 % di tutte le aree con ghiaccio siano in effetti le cold traps rivelatesi le più numerose. Esaminando la superficie con massima precisione, sono ben superiori e mappando un’area complessiva di circa 40.000 km², un quadrato di lato 200 km, sono pari al doppio delle stime precedenti. Circa 60% di queste zone è nel sud della Luna perché a latitudini superiori a 80° non ci sono temperature così basse da sostenere l’accumulo di ghiaccio.

Le molecole individuate da Sofia, pur in modesta quantità, appartengono invece alle regioni colpite dal Sole. È dagli anni Sessanta, dalle prime rocce lunari portate sulla Terra, che cerchiamo acqua sulla Luna, dichiara Alessandra Roy, scienziata italiana del progetto Sofia alla Dlr tedesca. La maggior parte dei campioni non aveva mostrato alcuna prova della sua presenza. Le parti della Luna illuminate dal Sole possono raggiungere temperature di circa 230°C. Non essendoci praticamente atmosfera, non c’è nulla che protegga l’acqua dal Sole.

A questa temperatura evapora, non c’è modo di trattenerla. Eppure, l’acqua è presente in superficie: è l’acqua rilevata da Sofia con lo spettrometro infrarosso Forcast combinato con i valori della temperatura presi dall’orbiter. La misura risale al 30 agosto 2018 (2 anni per elaborare i dati), e ha consentito di identificare l’impronta digitale inconfondibile delle molecole d’acqua nei pressi di Clavius, cratere di diametro 231 km situato nella zona sud-occidentale della faccia visibile della Luna. È il terzo, in ordine di grandezza, tra quelli dell'emisfero lunare rivolto verso la Terra ed è il frutto di una ricerca condotta a Boulder, antica e prestigiosa Università del Colorado (32.000 studenti) dal significativo motto Let Your Light Shine. La scoperta estende i siti di ricerca, prima strettamente limitati ai poli.

La presenza dell’acqua

Due sono le teorie sulla sua origine. La prima è che siano le micrometeoriti che colpiscono in continuazione la superficie della Luna a trasportare piccole quantità di acqua, inserendole all’interno della roccia durante la collisione, processo nel corso del quale l’acqua viene racchiusa in cristalli di vetro. La seconda teoria è che si verifichino due fasi, con l’idrogeno del vento solare che raggiunge la superficie e forma poi l’acqua combinandosi con l’idrossile libero OHˉ [radicale costituito da un atomo di idrogeno legato a un atomo di ossigeno con un elettrone libero, che conferisce forte reattività al gruppo atomico a cui appartiene]. Le stime indicano una quantità d’acqua rilevata da Sofia fra 100 - 400 parti per milione, equivalente al contenuto di una lattina di bibita da 300 ml, non concentrata ma distribuita su un’area pari a un campo di calcio, aggiunge Roy. La Luna si conferma dunque più arida di qualsiasi deserto sulla Terra, ma pur essendo bassa, la quantità di acqua scoperta potrebbe rivelarsi comunque importante per le future missioni spaziali.

Ricerche precedenti avevano indicato la possibile presenza di acqua soprattutto vicino al polo Sud, ma gli strumenti usati per le rilevazioni non permettevano di distinguere se il segnale derivasse dalla molecola d'acqua H₂O o dall'idrossile OHˉ legato ai minerali. Con il telescopio Sofia la Nasa ha risolto il mistero analizzando lo spettro della Luna a una ben definita lunghezza d'onda di 6 μm (micrometri, milionesimi di metro), firma allo spettrometro della molecola d’acqua: grande passo avanti, che permette di risolvere un’annosa questione, per cui l'acqua non può più essere confusa con altri elementi. La sua impronta digitale è univoca.

Se avessimo ragione, l’acqua potrebbe essere più accessibile per ottenere acqua potabile, per il carburante dei razzi e per tutto ciò che gli scienziati della Nasa sanno estrarre dall’acqua, aggiunge uno scienziato di Boulder, tormentato dall’endemico dubbio del ricercatore.

Un po' di storia

La scoperta di crateri lunari colmi di ghiaccio non sorprende. Bisogna risalire al 2009/2010, con un articolo del Geophysical Research Letters sull’esperimento della missione LCROSS della Nasa: bombardamento della superficie lunare e evidenza di molecole di idrocarburi e di vapore acqueo. Nei crateri della zona intorno al polo nord si nasconde una vera miniera di ghiaccio nell’oscurità totale, in perenne assenza di Sole e con temperature minime di -233°C (altrove valore medio -23°C e massimo +123°C). Qui sono stati individuati 40 piccoli crateri colmi di acqua gelata. Dalle osservazioni del radar Mini-SAR (Synthetic Aperture Radar) della Nasa, a bordo della sonda indiana Chandrayaan-1 si stimò che in quei depositi naturali di diametro 2 -15 km, fossero intrappolati 600 milioni di tonnellate di ghiaccio. Trascorsi più di 10 anni, alla luce dei risultati di Sofia, questi i commenti del Capo Progetto dell’esperienza Mini-SAR: Si tratta prevalentemente di acqua ghiacciata pura, sotto lo strato di regolite (polvere che ricopre la superficie lunare). Il quadro che emerge da questi molteplici rilievi indica che la migrazione, il deposito e la ritenzione di acqua sono processi attivi sulla Luna.

Ora la presenza umana sulla Luna diventa possibile, esultano gli scienziati del Lunar and Planetary Institute di Houston. I risultati degli ultimi mesi stanno rivoluzionando totalmente la nostra visione della Luna.

Più cauta la Direttrice dell’INAF-IFSI (Istituto di Astrofisica di Roma - Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario): Se i dati del radar saranno confermati, si tratta di una scoperta straordinaria. Sarebbe la prova che nei suoi 4,6 miliardi di anni di vita la Luna è stata bombardata da oggetti contenenti acqua. Si tratterà di studiare, attraverso i rapporti degli isotopi, la provenienza del ghiaccio incamerato dai crateri. Potrebbe arrivare dalle comete, da asteroidi o altri oggetti nel sistema planetario. Sono regioni difficilmente accessibili e impervie. Si tratta di zone che in alcuni casi non hanno ricevuto un raggio di luce solare per miliardi di anni, raggiungendo e mantenendo temperature bassissime, intorno a -184 °C. Nello studio si è cercato di capire quanto comuni potessero essere queste trappole… I poli nord e sud potrebbero ricevere un numero enorme di colpi in grado di creare ombre permanenti - molti solo di un centimetro di diametro. In precedenza, era stato stimato che l’area delle trappole fredde sulla Luna ammontasse a oltre 18.000 km², circa la metà di quanto invece previsto nelle ultime stime.

Questo il commento dell’autore dello studio del Laboratorio di fisica atmosferica e spaziale di Boulder: Se abbiamo ragione, la riserva di acqua sulla Luna potrebbe rappresentare una risorsa accessibile di acqua potabile, per il carburante dei razzi e tutto ciò di cui la Nasa avrebbe bisogno in caso di missioni umane sulla Luna. In quelle regioni le temperature sono così basse che il ghiaccio è come roccia. Se l’acqua rimane intrappolata in questa zone non può andare da nessuna parte per un miliardo di anni. E siamo alla prova del fuoco…

Attualmente è in corso la survey (perizia) della Nasa, con il Lunar Compact Infrared Imaging System, dopo 10 anni guidata ancora dallo stesso scienziato. Si prepara all’analisi delle immagini panoramiche di rilevamento del calore della superficie che farà nel 2022 vicino al polo sud. Con la sua esperienza dice: Occasionalmente l’acqua è arrivata sulla Luna in grandi quantità tramite lo schianto di comete, asteroidi o altri oggetti ricchi di acqua provenienti dal Sistema solare. Non è ancora dimostrabile che le cold traps contengano per certo riserve di ghiaccio ma i risultati sembrano promettenti. Dubita dei risultati del passato.

Analizziamo i fatti. L'esistenza di acqua sulla Luna non rappresenta una vera e propria novità, la sonda indiana Chandrayaan-1 l’aveva rilevata. Il fatto sconcertante non è dire se ci sia acqua, ma sapere come e dove si trovi. È vero che i dati di Sofia danno per certa la presenza di acqua anche nelle zone dell'emisfero meridionale colpite, nei pressi del cratere Clavius, ma al momento non è ancora chiaro come possa esserci arrivata e come venga trattenuta, e quel che è certo è che la quantità appare decisamente bassa.

Un nuovo studio

Mancava solo lo studio americano, pubblicato a febbraio 2018 su Nature Geoscience. Ha riesaminato daccapo dati e analisi elaborati sulle rilevazioni della sonda Lunar Reconaissance Orbiter e dello spettrometro Nasa a bordo dell’orbiter lunare indiano Chandrayaan-1: si vuole verificare la distribuzione dell’acqua, in base alle nuove prove di presenza fornite da Sofia sull’intera superficie lunare. I risultati contraddicono alcuni studi precedenti, che avevano rilevato la presenza di una quantità maggiore di acqua alle latitudini polari della Luna e un andamento variabile in base al giorno lunare (durata 29.5 giorni terrestri).

Abbiamo scoperto che, indipendentemente dall’ora del giorno o dalla latitudine che osserviamo, il segnale che indica l’acqua sembra essere sempre presente, sintetizza lo scienziato dell’Università di Boulder non convinto dai risultati del passato e di certo in disaccordo con il suo predecessore. È ora il primo autore della perizia e vuole andare a fondo. Non sembra che la presenza di acqua dipenda dalla composizione della superficie, né che le masse di ghiaccio si muovano da un punto a un altro del globo lunare. L’incertezza riferita alla presenza di acqua sulla Luna, nonché sulla sua origine, deriva principalmente dal modo in cui tale molecola viene rilevata. Siamo alla dialettica sul metodo.

Il calore della superficie lunare può essere sufficiente per emettere luce propria, un segnale nella regione infrarossa dello spettro. Per lo scienziato, la sfida è esattamente quella di distinguere la luce riflessa da quella emessa, operazione per la quale è necessario avere dati di temperatura molto precisi. Gli autori del nuovo studio ritengono che l’acqua all’origine si trovi come gruppi ossidrilici OHˉ legati ad altre molecole per comporre gli idrati e gli idrossidi che costituiscono il suolo lunare. Inoltre l’evento che con maggiore probabilità ha creato le molecole di OHˉ e/o di H2O è stato il bombardamento di ioni di vento solare attivo sull’intera superficie. Non escludono l’ipotesi che tali molecole si siano formate all’interno della Luna, rilasciate dai minerali in cui erano presenti fin dall’epoca in cui il corpo lunare si è formato, ma l’ipotesi è stata scartata. La fonte, la distribuzione spaziale e la variabilità temporale dell'OHˉ / H₂O, rimangono tuttora un enigma: una revisione del metodo può apportare modifiche alla soluzione, anche sostanziali, ma non ribaltarla. Manca poco… ci siamo quasi. È ora di mettere in disparte la dialettica e produrre l’acqua liquida e non tutti sanno che la regolite è composta al 40% da ossigeno…

(consultazione: nasa - d.rutter; nature astronomy; inaf - m.malaspina; scienze - r.mastrolonardo; geophysical research; boulder university - colorado)