Nästan 50 år efter våra första steg på månen, prover från Apollo-uppdragen, Mars och Vesta har fortfarande mycket att berätta om bildningen av planeterna och jordens vulkaner, och Diamond Light Source hjälper till att belysa dessa insikter.

Ett internationellt samarbete som involverar forskare på Teneriffa, USA och Storbritannien, använder Diamond Light Source, Storbritanniens nationella synkrotron för att undersöka gravitationens inverkan på steniga planeter. De kommer att undersöka tre miljarder år gamla stenar från månen som samlats in under Apollo-uppdragen, såväl som meteoriter från Mars, Vesta, och andra miljöer samlade i Antarktis.

Teamet – ledd av Dr. Matt Pankhurst, Instituto Volcanológico de Canarias/(Canarian Volcanlogical Institute (INVOLCAN) med medutredarna Dr. Ryan Zeigler, NASA; Dr Rhian Jones, University of Manchester; Dr Beverley Coldwell, ITER; Dr Hongchang Wang, Diamantljuskälla; Dr Robert Atwood, Diamond Light Source och Dr. Nghia Vo, Diamond Light Source – syftar till att använda proverna för att göra jämförelser mellan processer och tidsskalor som bildar liknande stenar som samlas in från olika gravitationsförhållanden.

Det sammansatta teamet kommer att testa hypotesen att en nyckelmekanism i magmas tillkomst och utveckling är beroende av gravitationen för att fysiskt separera kristaller från där de bildades i en smälta, och till gröt på botten av magmakroppar. Denna mekanism bör inte fungera i noll gravitation, men bör fungera i varierande grad på steniga kroppar. De kan genomföra denna forskning på grund av utrustningen och realtidsanalytiska möjligheter som finns tillgängliga hos Diamond.

Resultaten kan extrapoleras för att hjälpa till att modellera förhållandena på och inuti större planeter, som skulle kunna ge oss mer information om prioritering av forskning om exoplaneter och sökandet efter liv.

Detta blir det andra besöket på Diamond för Dr Matt Pankhurst. Han förklarar:"Vid vårt tidigare besök, vi använde en ny avbildningsteknik som utvecklats på Diamond för att utföra 3D-kartläggning av olivin – ett vanligt grönt mineral som finns i jordens underyta och i dessa månen och andra stenprover. Dessa kartor informerade vår förståelse av hur gravitationen påverkar geologiska processer och hjälper till att förstå dem på större planeter och andra steniga kroppar."

I magma, förhållandet mellan järn och magnesium i olivin förändras över tidsramar från timmar till månader, och dessa förändringar är "låsta" till mineralet när magman svalnar. Noggranna 3D-bilder av järnfördelningen inom olivin i månen och andra prover kommer att "låsa upp" information om de magmatiska processer där de bildades. Dr Pankhurst fortsätter:

"Vulkaniska bergarter börjar bildas under ytan och slutar bildas när de har brutit ut och helt frusna. Det vi siktar på att rekonstruera från dessa stenprover är information som till exempel vad mönstren för magmaflödet i det vulkaniska systemet var, hur lagringstiden för magma var, och potentiellt till och med identifiera utbrottstriggers. Data kommer att analyseras med hjälp av toppmodern diffusionsmodellering som kommer att fastställa historien om individuella kristaller."

Teamet undersökte tidigare prover från Apollo 12- och 15-uppdragen, med hjälp av en avancerad teknik för röntgenfläckar som utvecklats på Beamline B16 vid Diamond Light Source. Den här gången kommer de att använda Beamline I12 för att producera högupplösta datortomografibilder av proverna. Dr Robert Atwood, strållinjeforskare på I12 tillägger:"Beamline I12 erbjuder en stor, enfärgad, enkel våglängd, Röntgenstråle med valbara fotonenergier mellan 53 och 150 keV. En sådan stråle kan penetrera genom täta prover som månstenar och meteoriter som studeras av Dr. Pankhursts team. Absorptionen av röntgenstrålar av material beror på röntgenfotonenergin. Genom att skanna proverna med en enda fotonenergistråle, röntgenabsorptionsegenskaperna för mineralerna i proverna kan bestämmas, ge information om den lokala kemin. Vi har också utvecklat en speciell spiraltomografisk skanningsteknik med förbättrad datakvalitet, vilket är viktigt för de mineralogiska studierna av dessa dyrbara exemplar."

Dr Pankhurst fortsätter:"Nästan 50 år efter att de första människorna landade på månen, det finns fortfarande mycket vi inte vet om hur månen bildades, och arten av månens vulkaniska aktivitet. Vi vet det, på jorden, vulkanutbrott kan utlösas (eller avslutas) av förändringar i magma (smält sten) i eller under planetens skorpa. Kemiska register i kristaller kan användas för att berätta om den fysiska dynamiken inuti magman som leder fram till ett utbrott. All fysisk dynamik är föremål för gravitation, så att titta på kemiska register i kristaller som bildades under olika gravitation ger oss inte bara en inblick i utvecklingen av steniga planeter, men också en värdefull baslinje för att tolka markbundna register. Genom att komma åt dynamiken hos magmas från det förflutna, Syftet är att bygga ett bibliotek över vad som händer före ett utbrott, som kommer att stödja mer exakta prognoser för framtida utbrott."

NASA har godkänt användningen av 18 månprover för dessa experiment, och liknande, välkarakteriserade terrestra prover har också skannats, och används för att verifiera den kemiska sammansättningen av olivin. Prover lånas ut till forskare som vill studera dem, en process som övervakas av NASA:s Apollo-provkurator, Ryan Zeigler. Som en vetenskapsman som förstår avvägningen mellan att studera proverna och att bevara dem, en balans måste hittas i experimentdesign. Dessa beslut blir lättare när vi utvecklas kraftfullare, icke-förstörande tekniker. Han kommenterar:

"Forskarna använder nu toppmodern diffusionsmodellering för att fastställa historien om individuella olivinkristaller från 3D-bilder. Dessa tekniker kommer att tillämpas på de nya data som samlats in under denna stråltid. Resultaten kommer att läggas till vår förståelse för mån- och planetbildning, ämnen som kontinuerligt har diskuterats sedan proverna först återlämnades till jorden."

Diamond har en enorm erfarenhet av att undersöka ovärderliga arv och få nya insikter från dem. Genom att använda dessa tekniker, vi skulle kunna studera Storbritanniens månstensprover på nya sätt, och dessa färska bilder skulle ge dem mer mening och inspirera nästa generation av vetenskapsmän och ingenjörer.