NASA ontdekt water op zonovergoten oppervlak van de maan

De aanwezigheid van het water is aangetoond door het Stratosferic Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA), een Amerikaans-Duits infrarood observatorium aan boord van een Boeing 747, in de Clavius-krater, een van de grootste kraters in het zuidelijk halfrond van de maan die met het blote oog zichtbaar is vanop de aarde.

Eerdere waarnemingen van het oppervlak van de maan hadden al een vorm van waterstof gevonden, maar konden niet uitmaken of dat waterstof aanwezig was in de vorm van water (H2O) of als hydroxyl (OH). 

SOFIA, dat normaal gebruikt wordt om planeten, kometen en asteroïden in ons zonnestelsel en objecten en zelfs moleculen veel verder in de ruimte te bestuderen, is het enige observatorium dat in dit geval de 'handtekening' van water kan zien. Tijdens een vlucht in 2018 werd het observatorium op de maan gericht als test en de resultaten bleken opmerkelijk. Nu we weten dat het kan, zijn er nog meer vluchten gepland waarbij de maan geobserveerd zal worden, zo zei de NASA op een persconferentie over de nieuwe ontdekking. 

Het gaat wel om erg weinig water: uit de gegevens van de locatie in de Clavius-krater blijkt dat het gaat om concentraties van 100 tot 412 deeltjes water per miljoen, ruwweg een flesje van 33 centiliter dat vastzit  in een kubieke meter grond verspreid over het oppervlak. Dat is zo'n 100 keer minder dan wat er in de Sahara-woestijn aanwezig is. 

Dat lijkt niet veel water, maar toch is er bij de NASA opwinding over de nieuwe ontdekking, en dat vooral met het oog op de toekomstige Artemis-missie, die de maan wil gebruiken als een toekomstige uitvalsbasis voor verder ruimte-onderzoek. 

"We hadden aanwijzingen dat H2O - het vertrouwde water dat we kennen - aanwezig zou kunnen zijn op de door de zon beschenen kant van de maan", zei Paul Herlich, de directeur van de Astrophysics Divison van het Science Mission Directorate. "Nu weten we dat het er is. Deze ontdekking stelt onze kennis in vraag van het oppervlak van de maan en roept intrigerende vragen op over hulpbronnen die belang hebben voor het onderzoek van de diepe ruimte." Zo is het niet duidelijk hoe het water ontstaan is en hoe het kan blijven bestaan op het onherbergzame oppervlak zonder lucht van de maan. 

Water is een kostbare hulpbron in de ruimte en een sleutelingrediënt van leven zoals wij het kennen. Of het water dat SOFIA nu ontdekt heeft, makkelijk toegankelijk is voor gebruik als een hulpbron, is nog niet duidelijk. De NASA is erop gebrand alles te weten te komen over de aanwezigheid van water op de maan voor ze een vrouw en een man naar het maanoppervlak zal sturen in 2024 en er een duurzame menselijke aanwezigheid zal opzetten tegen het einde van het decennium in het kader van haar Artemis-programma. 

De resultaten van SOFIA bouwen voort op jaren van eerder onderzoek naar de aanwezigheid van water op de maan. Toen de Apollo-astronauten voor het eerst terugkeerden van de maan in 1969, dacht men dat de maan volkomen droog was.

Een aantal missies in de laatste 20 jaar bevestigden dat er ijs aanwezig was in kraters aan de polen van de maan die permanent in de schaduw lagen. Ondertussen bekeken andere Amerikaanse missies, de Indiase Chandrayaan-1 en de op aarde gevestigde Infrared Telescope Facility van de NASA het oppervlak van de maan en vonden ze aanwijzingen voor de aanwezigheid van waterstof in de zonniger regionen. Maar die missies waren niet in staat om uit maken in welke vorm de waterstof aanwezig was, H2O of OH.

"Voorafgaand aan de waarnemingen van SOFIA wisten we dat er een of andere vorm van waterstof aanwezig was", zei Casey Honnibal, de belangrijkste auteur van de studie over de SOFIA-waarnemingen, haar doctoraatsthesis, die nu gepubliceerd is. "Maar we wisten niet hoeveel ervan daadwerkelijk watermoleculen waren - zoals we elke dag drinken -, als die er al waren, of eerder iets zoals ontstopper." (In ontstopper zitten namelijk vaak OH-ionen.)

SOFIA bood een nieuwe manier om naar de maan te kijken. De aangepaste Boeing 747SP waarin het observatorium met een 2,7 meter telescoop zit, vliegt voor zijn waarnemingen in de stratosfeer tussen 11,5 en bijna 15 kilometer hoog en komt daardoor boven 99 procent van de waterdamp in de atmosfeer uit, waterdamp die infrarood licht blokkeert. 

Met zijn Faint Object infraRed CAmera for the SOFIA Telescope (FORCAST) was SOFIA in staat om de specifieke golflengte die uniek is voor watermoleculen, 6,1 micron of micrometer, op te pikken, en SOFIA ontdekte een behoorlijk verbazende concentratie ervan in de zonovergoten Clavius-krater.  

De ontdekking roept veel vragen op over waar het water vandaan komt en hoe het opgeslagen wordt.

"Zonder een dikke atmosfeer zou water op het door de zon verlichte oppervlak gewoon moeten verdwijnen in de ruimte", zei Honnibal, die nu als postdoctoraal onderzoeker werkt bij het Goddard Space Flight Center. "Maar op een of andere manier zien we het. Iets brengt het water voort, en iets moet het daar gevangen houden."

Bij het afleveren of voortbrengen van het water kunnen verschillende factoren in het spel zijn. Micrometeorieten die neerregenen op het maanoppervlak en die kleine hoeveelheden water meedragen, zouden het water kunnen afzetten op het oppervlak als ze erop inslaan. 

Een andere mogelijk is dat er een proces in twee stappen plaatsvindt, waarbij de zonnewind waterstof aflevert op het oppervlak en een chemische reactie veroorzaakt met mineralen in de bodem die zuurstof bevatten, een reactie die hydroxyl (OH) oplevert. Vervolgens zou straling van het bombardement van micrometeorieten die hydroxyl kunnen omzetten in water. 

Hoe het water opgeslagen wordt - waardoor het mogelijk wordt dat het zich kan ophopen - stelt ons ook voor een aantal intrigerende vragen. Het water zou gevangen kunnen zitten in kleine kraalachtige structuren in de bodem die gevormd worden door de grote hitte die ontstaat bij de inslagen van de micrometeorieten.

Een andere mogelijkheid is dat het water verstopt zou kunnen zitten tussen korrels maangrond en beschermd zou zijn tegen het zonlicht - wat het mogelijk een beetje toegankelijker zou maken dan water dat vastzit in kraalachtige structuren.   

SOFIA is ontworpen om te kijken naar verre, lichtzwakke objecten zoals zwarte gaten, sterrenhopen en sterrenstelsels en de waarneming van de dichtste en helderste kosmische buur van de aarde week dan ook sterk af van de routine.

De operatoren van de telescoop van SOFIA gebruiken normaal gezien een richtcamera om sterren te kunnen volgen en houden de telescoop gericht op het object tijdens de vlucht. Maar de maan is zo dichtbij en zo helder dat hij het hele gezichtsveld van de camera vulde en zonder zichtbare sterren, was het niet duidelijk of de telescoop van SOFIA de maan zou kunnen volgen. Om dit te onderzoeken, besloten de operatoren in augustus 2018 tijdens een vlucht over Nevada, op weg naar hun thuisbasis in Californië, een proefwaarneming uit te voeren. 

"Het was echt de eerste keer dat SOFIA naar de maan gekeken had, en we waren er zelfs niet helemaal zeker van dat we betrouwbare gegevens zouden verkrijgen", zei Naseem Rangwala, project-onderzoeker voor SOFIA bij het Ames Research Center van de NASA. "Het is ongelooflijk dat deze ontdekking voortgekomen is uit wat in essentie een test was, en nu we weten dat we dit kunnen doen, plannen we meer vluchten om meer waarnemingen te doen."

Die volgende vluchten van SOFIA zullen naar water zoeken in bijkomende locaties op de maan die in de zon liggen en tijdens verschillende schijngestaltes van de maan - volle maan, wassende maan, eerste kwartier en dergelijke. Men hoopt zo meer te weten te komen over hoe het water gevormd wordt, hoe het opgeslagen wordt en hoe het zich beweegt over de maan. 

Die gegevens zullen gecombineerd worden met data van toekomstige maanmissies, zoals de Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER), van de NASA om de eerste kaarten van de watervoorraden op de maan op te stellen. 

"Water is een kostbare hulpbron, zowel voor wetenschappelijke doeleinden als voor gebruik door onze onderzoekers", zei Jason Bleacher, de hoofdonderzoeker van het Human Exploration and Operations Mission Directorate. "Als we de hulpbronnen op de maan kunnen gebruiken, kunnen we minder water meevoeren en meer uitrusting om nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen mogelijk te helpen maken." 

De studie over de ontdekking van het water is gepubliceerd in Nature Astronomy. In hetzelfde nummer is ook een studie gepubliceerd op basis van theoretische modellen en gegevens van de Lunar Reconnaissance Orbiter waarin erop gewezen wordt dat er ook water vast zou kunnen zitten in kleine schaduwen, waar de temperaturen onder het vriespunt blijven, verspreid over een groter deel van de maan dan tot nu verwacht werd. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de NASA.