Månprover som samlades in av Apollo-astronauterna för ett halvt sekel sedan innehåller svar på frågor som inte ens var i tankarna för forskarna vid den tiden, eftersom nya tekniska verktyg ger insikt i några av de äldsta mysterierna om månen, jorden och solsystemet.

Den 20 juli, 1969, när Apollo-astronauten Neil Armstrong klättrade nerför stegen från "Eagle"-modulen för månlandning, han befann sig omgiven av ett hav av grått - en vidd av puderigt damm som ingen människa någonsin hade sett personligen. Det ikoniska trycket gjort av hans vänstra stövel markerade men det första steget på en lång upptäcktsresa, en upptäckt om månen och vår egen värld – som båda rymmer hemligheter som forskare bara börjar avslöja.

Femtio år efter att Apollo-astronauterna samlade in prover av månstenar och damm under sina razzior över månlandskapet, det finns fortfarande mysterier att lösa, och en forskare vid University of Arizona letar efter svar. Jessica Barnes, en tillträdande biträdande professor i UA:s Lunar and Planetary Laboratory, valdes nyligen ut av NASA för att få tillgång till oöppnade månstensprover.

Under NASA:s Apollo Next Generation Sample Analysis, eller ANGSA, program, Barnes kommer att ges tillgång till Apollo 17 prov 71036, som innehåller nästan fyra uns sten. Flera prover från det uppdraget bearbetades initialt under nominella laboratorieförhållanden, skyddas från luftexponering av ett kväveskåp vid rumstemperatur, och placerades sedan i kylförvaring inom en månad efter återkomsten.

"När dessa prover togs tillbaka, Kuratorerna hade förutseende att säga, "i detta ögonblick har vi inte alla metoder för att svara på alla frågor som dessa prover kan hjälpa oss att svara på" och så de låste in några för framtida studier, " säger Barnes. "De insåg att framtida teknologier skulle tillåta oss att göra saker som skulle ha varit omöjliga vid den tiden, och att folk skulle komma med nya frågor, och det är verkligen spännande eftersom vi är vid den tidpunkten nu."

Barnes är på jakt efter att ta reda på var vattnet kom ifrån i det tidiga solsystemet och hur det har utvecklats över tiden. Tidigare forskning, inklusive en del av hennes eget arbete, antyder att vissa rymdstenar kända som kolhaltiga kondriter tog med sig vatten när de träffade jorden och Mars, och potentiellt några av de större asteroiderna. Det är ingen slump att Bennu, målasteroiden för det UA-ledda OSIRIS-REx provreturuppdraget, är en kolhaltig kondrit.

Följ vattnet

"För att förstå var vattnet i solsystemet kom ifrån, och särskilt hur det hamnade på jorden, Mars, och i asteroidbältet, vi måste tänka på månen, säger Barnes, vars nuvarande forskning fokuserar på att spåra vattenmeteoriter, inklusive några av Mars ursprung, och månprover insamlade under Apollo 11, 14, och 17. "Att förstå hur livet på jorden började är intimt knutet till berättelsen om hur vatten kom hit. Månprover är viktiga bitar i detta pussel eftersom till skillnad från jorden, där de äldsta stenarna till stor del har raderats av plattektonik, månens gamla stenrekord är fortfarande intakt."

För cirka 4,6 miljarder år sedan, när en virvlande nebulosa av gas och damm började kollapsa till en skiva som skulle ge upphov till vårt solsystem, stenplaneterna och de kolhaltiga kondriterna utvecklades på olika platser och vid olika tidpunkter, Barnes förklarar, vilket utgör ett problem för scenariot med tidiga asteroider som förebud om vatten.

"Det var bara 10 år sedan som vatten upptäcktes på månen, inte bara på ytan, men också inuti mineraler, " säger Barnes. "Inom vetenskapen, det är en ganska kort tidsskala, och vi har inte räknat ut allt än. Hur mycket vatten finns det? Kom det från jorden under det stora nedslaget som vi tror skapade månen, eller gavs det till månen senare? Är den jämnt fördelad eller i fläckar inom månens mantel?"

För att hitta svar på sådana frågor, Barnes, som inte ens föddes när Apollo-astronauterna korsade månens yta till fots och med sina rovers, använder teknik som inte uppfanns förrän i början av 2000-talet.

"När du först får ditt prov, du vet inte vad du tittar på, så du börjar med en visuell analys, " Tom Zega säger, pekar på ett enkelt dissekerande mikroskop, som de som används i inledande vetenskapslabb. Zega är docent i planetvetenskap, och materialvetenskap och teknik, och medutredare i ANGSA-projektet. Han är också chef för Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility vid LPL, en toppmodern anläggning designad med ett mål:extrahera så mycket information från prover, både jordiska och utomjordiska, som möjligt.

Att studera en bit månsten under ett optiskt mikroskop är bara det första steget i en rad analystekniker som UA-forskare har till sitt förfogande. I slutet finns ett 12 fot högt transmissionselektronmikroskop, eller TEM. Finansierat av National Science Foundation och NASA, dess serienummer är "1" eftersom det är den första i sitt slag i världen med denna exakta konfiguration. Det är 200, 000-volts elektronstråle kan undersöka materia ner till 78 picometer, skalor för små för att den mänskliga hjärnan ska förstå.

"Om du vill veta hur en atom från födelsen av vårt solsystem ser ut, Jag kan visa dig, " säger Zega. För att få ett prov där det ger upp så mycket detaljer om sitt ursprung och historia, dock, kräver en uppsättning komplexa instrument och expertis som ingen enskild disciplin kan tillhandahålla.

"I dag, all intressant vetenskap sker i skärningspunkten mellan olika områden, " säger Zega. "I min grupp har vi kosmokemister, kvantkemister, astrofysiker och astrodynamik, bland andra. Detta arbete kräver en unik blandning av kunskap och färdigheter. Ta TEM, till exempel:det är ett kvantmekaniskt verktyg, så du måste vara expert på fysik, materialvetenskap och kemi på samma gång."

A Nano-scale Excavator

Another instrument, called an electron microprobe, allows researchers to discover certain properties of a sample by scanning it with an electron beam. Som det gör, a spatial image of the sample emerges, in this case revealing an abstract, speckled landscape of light and dark areas that cosmochemists can read like a map.

"Heavier elements appear brighter, and lighter elements appear darker, " Zega says. "So this tells us, till exempel, where and how much iron there is compared to oxygen in a lunar sample."

Applying the same principle but scanning a sample with x-rays instead of electrons reveals a little more. When Barnes moves to the UA this fall, after wrapping up her current research at NASA's Johnson Space Center, she hopes to be able to expand the capacities of the Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility with a next-generation NanoSIMS instrument, which stands for nanoscale secondary ion mass spectrometry.

The beauty of this technology, säger Barnes, lies in its ability to analyze isotopes, essentially different "varieties" of chemical elements, at very small scales, less than one-fiftieth the width of a human hair. Measuring the composition of different volatile elements such as hydrogen and chlorine in the rock tells the researcher something about the chemical make-up of the magma from which the rock crystallized and how its chemistry evolved over time.

"These data allow us to understand the chemistry of the moon's interior, " she says. "Ultimately we are able to say something about how the moon evolved and where its water came from."

The possibilities don't end here. To a curator during the Apollo days, a focused ion-beam scanning electron microscope, or FIB-SEM, would have sounded like utter science fiction:By smashing the bonds between atoms inside the sample with a beam of heavy gallium ions, the instrument works essentially like a nano scale excavator, Zega explains.

"Except that compared to other FIBs, which act like shovels, this one is a scalpel, " han säger.

FIB-SEM allows scientists to cut out tiny pieces from a sample with high precision and analyze only those pieces. This technique recently enabled Zega's team to discover a grain of dust forged in the death throes of a star long before our solar system was born.

Untouched Samples

"What we want to know from our samples is, how well do they conform to how we think the solar system formed based on astrophysical models?" Zega says.

The same applies to the origin of the moon, Barnes says.

"It's not just analytical instruments that have improved. In the last 10 years major advancements in impact simulations and numerical modeling have allowed the community to simulate the speed, size and number of the bodies that might have been involved in creating the Earth-moon system."

Analyzing samples from extraterrestrial bodies goes beyond the origins of the Earth and the moon, självklart. They are critical pieces in the puzzle because they allow scientists to test hypotheses about formation processes in the solar system based on simulations and models.

"We have had lunar samples here for decades, " says Timothy Swindle, director of the LPL. "Our faculty have been studying the composition of the moon for a long time, and what's so special about these samples is that they were valuable 50 years ago, and they will be valuable 50 years from now."

When asked what the Apollo samples can tell us 50 years later, Barnes says:"Being able to study these previously unopened samples is like a whole new lunar sample return mission. Not only do we get to be a part of the history of opening these samples, but we also will be using this opportunity to study how curation practices, such as ambient versus cold storage, affect our ability to measure a lunar water signature.

"It's exciting because this has never been done before."