Luna Primitiva: Chandrayaan-3 Svela i Segreti del Mantello!

Amici appassionati di spazio, tenetevi forte! La missione indiana Chandrayaan-3 non smette di stupirci. Ricordate l’atterraggio morbido del lander Vikram vicino al Polo Sud lunare nell’agosto 2023? Bene, il piccolo rover Pragyan, che ha scorrazzato lì intorno, ci ha inviato dati che stanno riscrivendo un pezzetto della storia geochimica della nostra Luna. E io sono qui per raccontarvi questa storia affascinante, quasi come se fossimo lì insieme a scavare nella regolite!

Il cuore della scoperta riguarda tre elementi chimici: sodio (Na), potassio (K) e zolfo (S). Perché sono importanti? Perché ci dicono tantissimo sulla composizione interna della Luna e sulla presenza di elementi volatili, quelli che tendono a “evaporare” facilmente. Prima di Chandrayaan-3, non avevamo misure *in situ* di questi elementi nelle alte latitudini meridionali. Le nostre conoscenze si basavano principalmente sui campioni raccolti dalle missioni Apollo e Luna, concentrate per lo più nelle regioni equatoriali.

Una Firma Chimica Inaspettata

Ed ecco la sorpresa: il sito di atterraggio di Chandrayaan-3, chiamato Shiv Shakti, mostra una composizione davvero particolare. Analizzando i dati dello strumento APXS (Alpha Particle X-ray Spectrometer) del rover Pragyan, abbiamo notato qualcosa di strano: i livelli di sodio e potassio sono anomalamente bassi rispetto ad altri siti negli altopiani lunari, mentre lo zolfo è decisamente più abbondante.

Facciamo un confronto: rispetto ai terreni analizzati dalla missione Apollo 16 (anch’essa in un altopiano), il sodio nel sito di Chandrayaan-3 è circa il 40% in meno e il potassio addirittura l’80% in meno! E se confrontiamo con Apollo 12 e 14, la differenza è ancora maggiore. Questo è strano perché sodio e potassio sono spesso legati a un componente geochimico lunare noto come KREEP.

Dov’è Finito il KREEP?

KREEP è l’acronimo di Potassio (K), Terre Rare (REE) e Fosforo (P). Si pensa che sia il residuo finale della cristallizzazione dell’Oceano di Magma Lunare (LMO), un enorme oceano di roccia fusa che ricopriva la Luna primordiale. Questo materiale KREEP, ricco appunto di K e Na, dovrebbe trovarsi concentrato in uno strato chiamato “urKREEP” al confine tra la crosta e il mantello.

Molte delle precedenti missioni sono atterrate vicino o dentro al cosiddetto “Procellarum KREEP Terrane” (PKT), una vasta regione sulla faccia visibile della Luna nota per essere ricca di KREEP. Chandrayaan-3, invece, è atterrata molto più a sud, lontano dal PKT. La scarsità di Na e K qui suggerisce che, quando si è formato l’enorme bacino da impatto Polo Sud-Aitken (SPA) – un cratere gigantesco vicino al sito di atterraggio – il materiale KREEP non si era ancora adeguatamente concentrato in quella zona. L’impatto SPA ha scavato materiale dalle profondità lunari (crosta inferiore/mantello superiore) e lo ha sparso attorno, depositandolo anche dove poi è atterrata Chandrayaan-3. Se il KREEP non era “pronto” in quella zona al momento dell’impatto, ecco spiegata la sua assenza (o quasi) nei campioni analizzati.

Il Mistero dello Zolfo Abbondante

E lo zolfo? Qui la storia si inverte. Il sito di Chandrayaan-3 ha livelli di zolfo (in media 1200 parti per milione, ppm) significativamente più alti rispetto agli altopiani esplorati da Apollo 16 (290-900 ppm) e Luna 20 (circa 800 ppm). Da dove viene tutto questo zolfo extra?

Una possibile fonte di zolfo sulla Luna sono le meteoriti, in particolare le condriti carbonacee di Tipo I (CC). Si stima che queste meteoriti contribuiscano per circa lo 0.7-1.7% alla composizione del suolo lunare negli altopiani. Contenendo circa il 6% di zolfo in peso, potrebbero aggiungere tra 420 e 1020 ppm di S al suolo. Questo spiegherebbe i livelli trovati in siti come Apollo 16, ma non basta per giustificare i 900-1400 ppm misurati da Pragyan. C’è un eccesso di circa 200-400 ppm che le meteoriti da sole non riescono a spiegare. Inoltre, il contributo di Na e K dalle meteoriti sarebbe trascurabile.

Se non vengono dal KREEP (che è scarso) e non solo dalle meteoriti, da dove arrivano questi elementi, in particolare l’eccesso di zolfo?

L’Impatto che Ha Cambiato Tutto: Il Bacino Polo Sud-Aitken

Torniamo all’impatto SPA. Questo evento catastrofico, avvenuto circa 4.3 miliardi di anni fa, è stato così potente da scavare fino a circa 120 km di profondità, ben oltre la base della crosta lunare, raggiungendo il mantello superiore. La tempistica è cruciale: l’impatto è avvenuto prima che l’LMO completasse la sua cristallizzazione e prima che lo strato urKREEP si formasse completamente e si concentrasse.

Cosa c’era nel mantello superiore a quel tempo? I modelli di cristallizzazione dell’LMO suggeriscono che, man mano che l’oceano di magma si solidificava, lo zolfo si concentrava nel liquido residuo. Quando circa l’85-90% dell’LMO si era cristallizzato, lo zolfo iniziò a separarsi sotto forma di solfuro di ferro (FeS, troilite). Si pensa che la saturazione di solfuri nel mantello sia avvenuta quando l’LMO era cristallizzato al 96-98%. Questo è avvenuto prima della formazione finale dello strato KREEP (che rappresenta l’ultimo 0.5% del liquido LMO).

Un Assaggio di Mantello Lunare Primitivo

L’ipotesi affascinante è che l’impatto SPA abbia scavato e lanciato in giro proprio questo materiale del mantello superiore ricco di solfuri, ma ancora povero di KREEP! Questo spiegherebbe perfettamente le osservazioni di Chandrayaan-3: bassi livelli di Na e K (perché il KREEP non era ancora concentrato lì) ed elevati livelli di S (proveniente dai solfuri del mantello primitivo).

Abbiamo fatto anche qualche calcolo. Considerando la composizione del sito come un mix di materiali della crosta superiore (anortosite), crosta inferiore (pirosseno), mantello superiore (olivina) e un piccolo contributo meteoritico, abbiamo stimato quanto zolfo potrebbe provenire da ciascuna fonte. L’anortosite e la crosta inferiore contribuiscono poco. Le meteoriti, come detto, non bastano. Ma se assumiamo che il 14% del materiale campionato provenga dal mantello superiore e che questo avesse una concentrazione di zolfo tra 2000 e 4000 ppm (un intervallo ragionevole basato sugli studi sulla solubilità dello zolfo nel magma lunare), allora questo contributo del mantello spiegherebbe perfettamente l’eccesso di 200-400 ppm di zolfo misurato da APXS!

Per verificare la robustezza del nostro modello di mescolamento, abbiamo fatto un controllo incrociato usando il nichel (Ni), un altro elemento misurato da APXS. Le stime basate sul modello si accordano bene con le misure reali, dandoci fiducia nella nostra interpretazione.

Cosa Significa Tutto Questo?

Significa che Chandrayaan-3 potrebbe averci dato la prima prova diretta della presenza di materiale del mantello lunare primitivo esposto in superficie, grazie all’antico impatto SPA. È una finestra unica sulle condizioni interne della Luna miliardi di anni fa!

Abbiamo anche considerato altre possibilità, come l’arricchimento superficiale dovuto alla condensazione di composti dello zolfo (come H2S) in zone fredde. Tuttavia, il sito di atterraggio di Chandrayaan-3, pur essendo ad alta latitudine, raggiunge temperature diurne troppo elevate (250-300 K) perché lo zolfo possa rimanere intrappolato stabilmente in superficie per tempi geologici. Le “trappole fredde” permanenti si trovano solo nelle regioni polari perennemente in ombra (PSR), dove le temperature scendono a livelli criogenici.

In sintesi, le misure del rover Pragyan ci raccontano una storia coerente:

• Il sito di atterraggio è povero di sodio e potassio perché l’impatto SPA è avvenuto prima che il KREEP si concentrasse in quella regione.
• Il sito è ricco di zolfo perché l’impatto SPA ha scavato materiale dal mantello superiore, che a quel tempo era già saturo di solfuri ma non ancora arricchito in KREEP.
• Questo eccesso di zolfo è probabilmente un “fossile” chimico del mantello primitivo della Luna.

Queste scoperte non solo confermano e raffinano i nostri modelli sull’evoluzione dell’Oceano di Magma Lunare, ma aprono anche nuove, entusiasmanti prospettive per la futura esplorazione lunare. Il sito di Chandrayaan-3 si candida come un luogo privilegiato per cercare e campionare questi rari frammenti dell’interno profondo della Luna. Non è incredibile come un piccolo rover, a centinaia di migliaia di chilometri da noi, possa svelarci segreti così antichi?

Fonte: Springer