Vulkaniska stenprover som samlats in under NASA:s Apollo-uppdrag bär isotopsignaturen för viktiga händelser i månens tidiga utveckling, hittat en ny analys. Dessa händelser inkluderar bildandet av månens järnkärna, såväl som kristalliseringen av månmagmahavet – havet av smält sten som tros ha täckt månen i cirka 100 miljoner år efter att den bildades.

Analysen, publiceras i tidskriften Vetenskapens framsteg , använde en teknik som kallas sekundär jonmasspektrometri (SIMS) för att studera vulkaniska glasögon som returnerades från Apollo 15 och 17 uppdragen, som tros representera något av det mest primitiva vulkaniska materialet på månen. Studien tittade specifikt på svavelisotopsammansättning, som kan avslöja detaljer om den kemiska utvecklingen av lavas från generation, transport och utbrott.

"Under många år verkade det som om de analyserade basaltiska stenproverna på månen hade en mycket begränsad variation i svavelisotopförhållanden, sa Alberto Saal, en geologiprofessor vid Brown University och studiemedförfattare. "Det skulle tyda på att månens inre har en i grunden homogen svavelisotopsammansättning. Men med hjälp av moderna in situ analytiska tekniker, vi visar att isotopförhållandena för de vulkaniska glasen faktiskt har ett ganska brett intervall, och dessa variationer kan förklaras av händelser tidigt i månens historia."

Svavelsignaturen av intresse är förhållandet mellan den "tunga" svavel-34-isotopen och den lättare svavel-32. Inledande studier av månens vulkaniska prover fann att de lutade sig jämnt mot det tyngre svavel-34. Det nästan homogena svavelisotopförhållandet stod i kontrast till stora variationer i andra grundämnen och isotoper som upptäckts i månproverna.

Den här nya studien tittade på 67 individuella vulkaniska glasprover och deras smältinneslutningar - små blötar av smält lava fångade i kristaller inuti glaset. Smältinneslutningar fångar lavan innan svavel och andra flyktiga ämnen frigörs som gas under utbrottet - en process som kallas avgasning. Som sådan, de ger en orörd bild av hur den ursprungliga källan lava var. Genom att använda SIMS vid Carnegie Institution for Science, Saal med sin kollega, den bortgångne Carnegie-forskaren Eric Hauri, kunde mäta svavelisotoperna i dessa orörda smältinneslutningar och glas, och använd dessa resultat för att kalibrera en modell av avgasningsprocessen för alla prover.

"När vi väl känner till avgasningen, då kan vi uppskatta den ursprungliga svavelisotopsammansättningen av källorna som producerade dessa lavor, sa Saal.

Dessa beräkningar visade att lavorna hade härletts från olika reservoarer i månens inre med ett brett spektrum av svavelisotopförhållanden. Forskarna visade sedan att omfånget av värden som upptäckts i proverna kunde förklaras av händelser i Månens tidiga historia.

Det lättare isotopförhållandet i några av de vulkaniska glasen, till exempel, överensstämmer med segregationen av järnkärnan från den tidiga smälta månen. När en järnkärna separeras från annat material i en planetkropp, det tar lite svavel med sig. Svavlet som tas tenderar att vara den tyngre svavel-34 isotopen, lämnar kvarvarande magma berikad med det lättare svavel-32.

"Värdena vi ser i några av de vulkaniska glasögonen överensstämmer helt med modeller för kärnsegregationsprocessen, sa Saal.

De tyngre isotopvärdena kan förklaras av den ytterligare kylningen och kristalliseringen av den tidiga smälta månen. Kristalliseringsprocessen tar bort svavel från magmapoolen, producerar fasta reservoarer med tyngre svavel-34. Den processen är den sannolika källan till de tyngre isotopvärden som finns i några av de vulkaniska glasen och basaltstenarna som återvände från månen.

"Våra resultat tyder på att dessa prover registrerar dessa kritiska händelser i månens historia, " Saal sa. "När vi fortsätter att titta på dessa prover med nyare och bättre tekniker, vi fortsätter lära oss nya saker."

Mer arbete behöver göras - och fler prover behöver analyseras - för att helt förstå månens svavelisotopsammansättning, säger Saal. Men dessa nya resultat hjälper till att klargöra långvariga frågor om sammansättningen av månens inre, och de för forskare ett steg närmare att förstå månens bildning och tidiga historia.