El origen de la misteriosa atmósfera descubierta por los astronautas del Apolo

Durante la misión lunar Apollo 15 en 1971, el comandante astronauta David Scott dejó caer tanto un martillo de aluminio de 1.32 kilogramos como una pluma de halcón de 0.03 kilogramos, desde una altura de aproximadamente 1.6 metros sobre el regolito lunar. Los dos objetos tocaron el suelo al mismo tiempo. El experimento validó el principio de equivalencia, que establece que la gravedad actúa sobre todos los objetos de prueba de la misma manera, independientemente de su masa o composición.

Este experimento no funciona tan bien en la Tierra. La pluma de halcón habría sido frenada por la fricción con el aire debido a su gran superficie por unidad de masa. De manera similar, las gotas de lluvia son ralentizadas por el aire y alcanzan una velocidad terminal de varios metros por segundo, con una magnitud proporcional a la raíz cuadrada de su tamaño. La fuerza de fricción, que es proporcional al área multiplicada por la velocidad al cuadrado, equilibra la gravedad, que es proporcional a la masa. La aceleración gravitacional en la superficie de la Luna es solo una pequeña fracción del 16.6% en relación con la de la Tierra, pero ¿en qué cantidad es más enrarecida la atmósfera de la Luna?

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Jesús Díaz

En la atmósfera lunar hay alrededor de un quinto de millón de átomos por centímetro cúbico, un cuarto de cuatrillón menos que la densidad numérica de moléculas en la atmósfera terrestre. Antes de mi carrera matutina de hoy, calculé que la fricción en la atmósfera lunar debió haber ralentizado ligeramente la pluma de halcón, de modo que en realidad tocó el regolito lunar un tercio de femtosegundo después que el martillo. Si David Scott hubiera tenido a su disposición instrumentación científica avanzada, podría haber medido este pequeño retraso.

La masa total de la atmósfera lunar es de aproximadamente 25 toneladas. Está compuesta principalmente de helio, neón, hidrógeno molecular y argón, con contribuciones menores de metano, amoníaco y dióxido de carbono.

Debido a la baja gravedad de la Luna, moléculas o átomos ligeros como el hidrógeno y el helio reciben suficiente energía del calentamiento solar como para escapar en solo unas pocas horas. Los átomos más pesados tardan más en escapar, pero eventualmente son ionizados por la radiación ultravioleta del Sol, después de lo cual son arrastrados por el viento solar lejos de la Luna. La alta tasa de escape de la atmósfera lunar implica que debe haber una fuente continua de átomos y moléculas para mantener incluso una atmósfera tenue.

¿Cuál es la fuente de la atmósfera lunar? Un nuevo artículo en la revista Science sugiere que, en escalas de tiempo largas, el impacto de micrometeoritos es la fuente principal de átomos y moléculas frescos en la atmósfera lunar. Esta conclusión se basó en un análisis isotópico de alta precisión de potasio y rubidio en los suelos lunares recolectados por las misiones Apolo. El estudio estudió 10 muestras de suelo lunar tomadas de diferentes ubicaciones en la Luna. Los resultados muestran que la atmósfera lunar se repone principalmente por impactos de micrometeoritos, mientras que la meteorización por el viento solar contribuye menos del 30% del suministro atmosférico.

Pequeños fragmentos rocosos en forma de micrometeoritos del sistema solar impactan la Luna a una velocidad de varias decenas de kilómetros por segundo, comparable a la velocidad del sistema Tierra-Luna alrededor del Sol. Esto es un orden de magnitud mayor que la velocidad de escape de 2.4 kilómetros por segundo desde la superficie lunar. Como resultado, los átomos liberados de la superficie lunar por los bombardeos constantes de meteoritos crean una nube de escombros en forma de atmósfera alrededor de la Luna.

El flujo de masa transportado por micrometeoritos y depósitos de polvo cósmico es del orden de 28 toneladas por día en la Tierra. El área superficial de la Luna es el 7.4% de la de la Tierra, lo que sugiere que la superficie lunar recibe alrededor de dos toneladas de material por día. Dado que la mitad del cuadrado de la velocidad de impacto es cien veces superior a la energía de enlace gravitacional por unidad de masa (la mitad del cuadrado de la velocidad de escape) desde la superficie lunar, la abundante entrada de energía cinética por los micrometeoritos y polvo que caen puede mantener fácilmente una masa atmosférica lunar constante de 25 toneladas por debajo de la velocidad de escape.

Una de las principales limitaciones para las observaciones astronómicas desde la Tierra es la opacidad atmosférica y el resplandor infrarrojo. Las moléculas, átomos e iones atmosféricos dispersan y absorben la luz, bloqueando en particular la radiación ultravioleta y de rayos X. Debido a la atmósfera lunar diluida y a la falta de contaminación lumínica, la Luna ofrece una plataforma mucho mejor para observatorios astronómicos.

Los beneficios lunares se extienden a los observatorios de ondas gravitacionales. La atmósfera lunar es un millón de veces más diluida que el mejor vacío logrado en los sistemas de vacío LIGO-Virgo-KAGRA y el ruido sísmico lunar es órdenes de magnitud inferior al de la Tierra. Reconociendo estos beneficios, propuse en un artículo de 2021 con Karan Jani de la Universidad de Vanderbilt establecer un observatorio gravitacional lunar. Nuestros cálculos sugirieron que tal observatorio puede detectar agujeros negros astrofísicos de todas las masas hasta cuando se formaron las primeras estrellas. Hasta ahora, nuestra propuesta se ha materializado en una colaboración internacional, denominada la Antena Lunar de Interferómetro Láser (LILA), que cuenta con el apoyo de 13 organizaciones.

La atmósfera lunar podría cambiar una vez que los humanos se establezcan en la Luna. En particular, cuando el programa Artemis de la NASA para establecer una base humana sostenible en la Luna se haga realidad, es probable que la maquinaria pesada empleada en los sitios de construcción lunar aumente la abundancia de átomos, moléculas y polvo en la atmósfera lunar. Espero que dentro de los hábitats construidos sea posible respirar aire fresco con la presión atmosférica y la composición habitual de 78.08% de nitrógeno molecular y 20.95% de oxígeno molecular.

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Avi Loeb es jefe del proyecto Galileo, director fundador de la Iniciativa Black Hole de la Universidad de Harvard, director del Instituto para la Teoría y la Computación del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian y autor del bestseller Extraterrestrial: The first sign of intelligent life beyond earth.

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