שני מחקרים חדשים, אחד מהם בהשתתפות מדען ישראלי, מעידים כי יש על פני הירח יותר מים ממה שחשבו עד כה, והם אף עשויים להיות נגישים יותר למחקר ולשימוש
דקות אחדות לאחר שעשה את הצעד הראשון על הירח, התפנה ניל ארמסטרונג לתאר את הסביבה וציין כי הנוף מסביב מזכיר במידה רבה את המדבר הגבוה בארצות הברית – כינוי לאזור ההררי של מדבר מוהבי, שבצפון קליפורניה ובמדינות הסמוכות. גם כיום, יותר מ-50 שנה לאחר הביקור הראשון של בני אדם על הירח ואין ספור מחקרים ותצפיות, אין חולק על כך שהירח הוא גוף מדברי לגמרי. אבל שני מחקרים חדשים מראים עוד נקודת דמיון בין הירח למדבריות על כדור הארץ. גם שם, מתברר, יש יותר מים ממה שרואים במבט ראשון.
חיפוש המים על הירח אינו חדש. בשנת 2008 שיגרה החללית ההודית צ'נדראיאן (Chandrayaan-1) קליע אל אדמת הירח סמוך לקוטב הדרומי, דגמה את העפר שהתרומם מהפיצוץ וזיהתה בו כמות קטנה של מולקולות מים. כשנה לאחר מכן עשתה החללית האמריקאית LCROSS מבצע דומה עם פיצוץ עז יותר, שאישר את הממצאים ואף גילה כמויות מים מרשימות יותר באזור אחר ליד הקוטב הדרומי. במחקרים אלו ניתוח הרכב החומרים התבסס על קרינה תת אדומה באורך גל של שלושה מיקרון (0.003 מילימטר), שמאפשר לזהות את החתימה הכימית של של יון הידרוקסיד, (-OH). הידרוקסיד הוא הצורה המיוננת של ההידרוקסיל, חלק ממולקולת המים H2O, אולם יוני הידרוקסיד קיימים גם בנפרד ממולקולות מים, כחלק מהמינרלים המרכיבים את סלעי הירח. היות שכך, החוקרים לא היו יכולים לקבוע בוודאות כי אכן מדובר במולקולות מים באדמת הירח, וגם לא להעריך בצורה מדויקת איזה חלק מקשרי ה-OH שזיהו הם מים ואיזה חלק הם יונים המרכיבים את המינרלים ואינם קשורים למים. בשנים האחרונות חיפוש המים על הירח צבר תאוצה, במיוחד על רקע התוכניות לשגר שוב בני אדם לירח, ואולי אף להקים שם בסיס קבע. שני המחקרים המתפרסמים כעת השתמשו במגוון שיטות תצפית וניתוח נתונים, ושניהם מחזקים את ההשערה כי לא רק שיש מים בפני השטח של הירח באזורי הקטבים, הם אף מצויים שם בכמות גדולה ממה שחשבו עד כה, וגם עשויים להיות זמינים יותר.
הטלסקופ מרחף הרחק מעל אדי המים האטמוספריים. מטוס SOFIA עם דלת הטלסקופ הפתוחה סמוך לזנב | צילום: NASA
העין של סופיה
המחקר הראשון מבוסס על תצפיות בטלסקופ המוטס של סוכנות החלל האמריקאית, NASA, ושל סוכנות החלל הגרמנית, DLR. הטלסקופ, המכונה סופיה (SOFIA – ראשי תיבות של "מצפה כוכבים סטרטוספרי לאסטרונומיה בקרינה תת-אדומה"), מופעל ממטוס בואינג 747 ייעודי, מה שמאפשר לצלם את השמיים מגובה של כ-12 קילומטר, הרחק מעל אדי המים באטמוספרה, המפזרים את הקרינה התת-אדומה ואינם מאפשרים תצפיות כאלה מפני הקרקע.
בתצפית המוטסת השתמשו החוקרים בקרינה תת אדומה באורך גל של ששה מיקרון, המאפשר את ההבחנה בין יון הידרוקסיל למולקולת מים. את צוות המחקר הובילה קייסי הוֹנִיבּוֹל (Honniball) שעושה את השתלמות הפוסט-דוקטורט שלה במרכז מחקר של סוכנות החלל האמריקאית. הוניבול ועמיתיה סרקו כמה אזורים בירח בטלסקופ המוטס ב-2018, והשוו את תוצאות התצפית לאלו המתקבלות ממדידת סלעים ומינרלים במעבדה, כאשר תכולת המים שלהם ידועה. לאחר יותר משנתיים של ניתוח הנתונים הגיעו למסקנה כי ריכוז המים באזורים שנדגמו הוא בין 200 ל-400 חלקים למיליון. כלומר, בהתחשב בצפיפות אדמת הירח באזור הזה, מתוך כל קילוגרם של אדמת ירח באזור הזה, לפחות 200 מיליגרם הם מולקולות מים. החוקרים מעריכים כי באזורים הסמוכים לקוטב הדרומי תכולת המים עשויה להיות גבוהה עוד יותר, עד כ-1.3 גרם לקילוגרם, לעומת ריכוז נמוך פי עשרה בדגימות שהביאו האסטרונאוטים במשימות אפולו, מאזורים הקרובים הרבה יותר לקו המשווה של הירח.
להבדיל בין מים לחול. הוניבול (משמאל) בעת הטיסה לצילום הירח בטלסקופ SOFIA | צילום מתוך חשבון הטוויטר שלה
איפה נמצאים המים האלה?
המים על פני הירח לא יכולים להיות במצב נוזלי ואפילו לא כקרח. בהעדר אטמוספרה, כל טיפת מים על הירח מתאדה או ממריאה מיד לחלל. אפילו מולקולות מים בודדות שמקובעות אל פני השטח ואינן יכולות להתאדות, מועדות לפירוק עקב הקרינה העזה הפוגעת כל הזמן בפני הירח. הוניבול ועמיתיה מעריכים כי רוב המים שהם זיהו לכודים בתוך גבישי זכוכית הנוצרים כשמטאוריטים זעירים פוגעים באדמת הירח וגורמים להתכה מקומית של החול לזכוכית. חלק קטן יותר ממולקולות המים לכוד ככל הנראה בין גרגירי החול של הירח באופן המגן עליהן מחשיפה לתנאי הסביבה. כ-30 אחוז מהחול שעל פני הירח מורכב מגרגירי זכוכית כאלה, כך שמדובר בהרבה מים שעשויים להיות לכודים בתוכם. עם זאת, לא ברור עד כמה המים האלה זמינים לשימוש של בני אדם שיקימו מושבה על הירח. חילוצם מתוך גבישי הזכוכית או החול עשוי להיות מורכב, לדרוש טכנולוגיה מורכבת ולצרוך אנרגיה רבה.
כמעט שליש מהחול על הירח מורכב מגבישי זכוכית, האוצרים כנראה את המים. צילום מיקרוסקופי של דגימת חול שהביאה החללית אפולו 17 | מקור: NASA / SCIENCE PHOTO LIBRARY
אל בורות המים
המחקר השני הוא פרי שיתוף פעולה ממושך של שלושה חוקרים: פול הֵיין (Hayne) מאוניברסיטת קולורדו, עודד אהרונסון ממכון ויצמן למדע ונורברט שְרֵגְהוֹפֶר (Schörghofer) מהמכון הפלנטרי באריזונה. במחקר הזה בחנו החוקרים את "מלכודות הקור" – אזורים קרים מספיק כדי "ללכוד" ולהקפיא מולקולות מים בטרם יתאדו לחלל. אלה המקומות היחידים על פני הירח שבהם מולקולות המים מוגנות מפני השמש ואינן מתאדות מפני השטח. הם מצאו כי מלכודות הקור האלה נפוצות יותר באזורי הקטבים של הירח ממה שחשבו עד כה, מה שמצביע על האפשרות שיש באזורים האלה מים רבים יחסית, ובמקרה של המחקר הזה – המשמעות היא גם שהם נגישים וזמינים הרבה יותר.
מכיוון שעל הירח אין אטמוספרה, פניו זרועים מכתשים במגוון רחב של גדלים, צלקות מפגיעות של מטאוריטים ואסטרואידים במשך מיליארדי שנים. בגלל שהנטייה של הירח על צירו קטנה מאוד, יש באזורים הסמוכים לקטבים מכתשים שאור השמש אינו חודר אליהם לעולם. המכתשים האלה מכונים "אזורי צל תמידי" (Permanent shadow regions או בקיצור PSR). בעוד באזורים אחרים על פני הירח הטמפרטורה מגיעה ליותר מ-120 מעלות צלזיוס בשיאו של ה"יום" הירחי ופחות מ-150 מעלות צלזיוס מתחת לאפס בשיאו של "הלילה" (כל אחד מהם נמשך כשבועיים שלנו), בתוך המכתשים האלה הטמפרטורה נותרת נמוכה. במכתשים הקרירים ביותר נמדדו טמפרטורות של 15 מעלות בלבד מעל האפס המוחלט, כלומר כ-258 מעלות מתחת לאפס צלזיוס.
שלושת החוקרים ניתחו יותר מ-5,000 צילומים של מכתשים בקוטבי הירח שצילם הלוויין האמריקאי LRO המקיף את הירח מאז שנת 2009. הם ניתחו את הנתונים הטופוגרפיים כמו עומק המכתש על פי אורך הצללים במועדי צילום שונים, והצליבו את הנתונים עם מידע גיאולוגי שסיפק נתונים על הולכת החום של הסלעים, ועם מדידות טמפרטורה במכתשים נבחרים שבוצעו במכשיר תת-אדום של LRO. על פי שקלול של כל הנתונים הם פיתחו מודל המאפשר לחשב את הסיכוי שמכתש מסוים הוא מלכודת קור – כלומר חלקו הפנימי קר מאוד והוא עשוי ללכוד מולקולות מים ולצבור קרח בהדרגה. "עד עכשיו היה ידוע שקרח מצטבר בעיקר במכתשים הגדולים ביותר. בעבודה הזו הצלחנו לחשב את היציבות של הקרח כפונקציה של גודל המכתש, ואנו מראים שיש הרבה מאוד מכתשים קטנים שיש בהם מים קפואים", הסביר אהרונסון לאתר מכון דוידסון. "להערכתנו כ-20-10 אחוזים מכל מלכודות הקור על הירח הם מכתשים מסדרי גודל קטנים, מקילומטרים אחדים ועד מטרים ואפילו עשרות סנטימטרים".
מלכודות הקור נפוצות בהרבה ממה שחשבו קודם. מימין: שרגהופר, אהרונסון והיין | צילומים: המכון הפלנטרי אריזונה, מכון ויצמן למדע, אוניברסיטת קולורדו, בולדר
מים נגישים
החוקרים בחנו את הפיזור והצפיפות של מכתשים כאלה באזור שני הקטבים של הירח, ולהערכתם שטח מלכודות הקור על פני הירח הוא כ-40,000 קילומטרים רבועים – יותר מכפליים לעומת האומדן במחקר קודם, שגם בו השתתפו שרגהופר והיין. כ-60 אחוזים מהשטח הזה הם בחוג הקוטב הדרומי של הירח, אם כי דווקא באזור הקוטב הצפוני מצאו החוקרים שיעור גבוה יותר של מכתשים קטנים. כמו כן הראו החוקרים כי מכתשי PSR רבים אינם מלכודות קור, משום שהטמפרטורה בהם אינה קרה מספיק, ואלה בעיקר מכתשי PSR הרחוקים יחסית מהקטבים.
ממצא חשוב נוסף הוא הנגישות של המים במכתשים האלה, אם וכאשר בני אדם יגיעו לחקור אותם, כפי שמתוכנן למשל בתוכנית "ארטמיס" האמריקאית, המתעתדת להנחית בני אדם על הירח כבר בשנים הקרובות. "מכיוון שיש הרבה יותר מכתשים קטנים מאשר מכתשים גדולים, הסיכוי הרבה יותר גבוה לנחות קרוב מספיק למכתש קטן שהוא מלכודת קור", מסביר אהרונסון. "כמו כן, הקרח במכתשים האלה הרבה יותר נגיש, משום שלמכתשים הגדולים יש במקרים רבים דפנות תלולות מאוד, שאינן מתאימות למעבר ברגל או ברכב שטח, בעוד המכתשים הקטנים מאופיינים לרוב בשיפוע מתון יותר".
כשהשמש נמצאת פחות ממעלה מעל האופק, אפשר לראות את הצל במכתשים הרבים סמוך לקוטב הצפוני. צילום של הלוויין LRO | מקור: NASA/GSFC/ASU
הברז של הירח
מהיכן הגיעו המים אל הירח? חוקרים מעריכים כי המים שנמצאים כעת על פני השטח של הירח הצטברו בתהליכים איטיים במשך יותר מ-4 מיליארד שנות קיומו. אחד המקורות האפשריים למים הוא התנגשות של שביטים בירח. שביטים עשויים בעיקר מקרח, ובעת התנגשות שלהם בפני הירח, רוב המים מתאדים לחלל, אם כי כמויות קטנות עשויות להילכד בפני השטח, ואף להגיע לקטבים ולהיתפס במלכודות הקור. אפשרות נוספת היא יצירה של מולקולות מים בעזרת קרינה: רוח השמש מכילה פרוטונים, וכל פרוטון הוא למעשה גרעין של אטום מימן. מינרלים על הירח מכילים יוני הידרוקסיל (-OH), וחלקו אף נוצר מפגיעת פרוטון באטום חמצן. פגיעה של פרוטון מהשמש ביון הידרוקסיל בתנאים המתאימים יכולה ליצור מולקולה של H2O, כלומר מים. ההסתברות לאירוע בודד כזה נמוכה מאוד, אבל במשך מיליארדי שנים כנראה מתרחשים לא מעט אירועים כאלה. אפשרות נוספת היא שחרור של מולקולות מים הלכודות בסלעים בעומק הירח, למשל באירועים געשיים. גם כאן, רוב המולקולות אובדות לחלל, אבל קצתן עשויות להילכד בפני השטח ובמלכודות הקור.
הממצאים של שני המחקרים מסתדרים היטב עם התיאוריות של הצטברות מים איטית מאוד והדרגתית. כדי שיוכלו לקבוע איזה מודל, או אילו מודלים מתאימים טוב יותר להיווצרות המים, החוקרים מקווים כי משימות מאוישות או רובוטיות יוכלו להביא דגימות מהמים לכדור הארץ. זה יאפשר לנתח למשל את ההרכב האיזוטופי שלהם, להבין את מקורם ואולי אפילו לשפוך אור חדש על השאלה כיצד נוצר הירח.
אם נרצה להשתמש במים שעל הירח להפקת מי שתייה, חמצן ודלק לטובת מושבה מאוישת, נראה שלא יהיה מנוס מגישה למרבצי הקרח במכתשים הגדולים. אולם לפחות בשלב הראשון הצורך העיקרי של הגישה למים הוא למחקר. מים קפואים במלכודות הקור במכתשים עשויים להיות זמינים הרבה יותר מאשר המים שנצפו במחקר של הוניבול, הלכודים כנראה בזכוכית או בין גרגירי החול. כאמור, נחיתה באזור המכתשים של הקוטב הדרומי היא אחת המשימות המתוכננות של תוכנית "ארטמיס". "בזכות המחקר שלנו, נוכל לסייע לבחור אתר נחיתה ליד מכתשים קטנים ונגישים המכילים קרח, בלי צורך להסתכן בגישה למכתש עמוק", מסכם אהרונסון.
