Puntando il naso all’insù e guardando la Luna, i numerosi crateri che “bucherellano” il nostro satellite nascondono, proprio al loro interno, una risorsa preziosissima in grado di fare la differenza per un futuro (forse non troppo lontano) in cui l’umanità voglia costruire basi permanenti sul suo suolo: l’acqua. O meglio, il ghiaccio. Secondo una nuova ricerca pubblicata sulla rivista Nature Astronomy, le riserve di ghiaccio si troverebbero nei crateri permanentemente in ombra del polo sud lunare. Inoltre, sarebbero arrivate sulla superficie del nostro vicino spaziale in modo graduale, nell’arco di almeno un miliardo e mezzo di anni, anziché attraverso un unico grande evento catastrofico come l’impatto di una cometa gigante.

È uno studio firmato da Oded Aharonson del Weizmann Institute of Science di Rehovot, in Israele, da Paul O. Hayne dell’Università del Colorado a Boulder e da Norbert Schörghofer del Planetary Science Institute di Tucson, in Arizona. I tre ricercatori hanno analizzato dati raccolti dallo strumento LAMP – il Lyman-Alpha Mapping Project – a bordo del Lunar Reconnaissance Orbiter della NASA, capace di rilevare la presenza di ghiaccio esposto in superficie grazie alla luce ultravioletta riflessa dalle stelle. Il risultato: più una regione permanentemente in ombra è antica, maggiore è la frazione di superficie che mostra tracce di ghiaccio. Un’evidenza, questa, che il ghiaccio non si è depositato tutto in una volta, ma si è accumulato quasi continuamente nel tempo.

Regioni in ombra permanente: le “trappole del freddo”

Per capire perché questi crateri sono così importanti bisogna partire da una caratteristica fondamentale della Luna: l’assenza di atmosfera. Senza un involucro gassoso che attenui le escursioni termiche, la superficie lunare può raggiungere temperature altissime di giorno e precipitare a valori estremi di notte. In queste condizioni, l’acqua sublima — cioè passa direttamente dallo stato solido a quello gassoso — e si disperde nello spazio, ma non ovunque. Come spiega Maria Cristina De Sanctis, ricercatrice dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), specializzata in spettroscopia planetaria: «Proprio per la sua orografia la Luna presenta delle zone ai poli che rimangono sempre in ombra. Inoltre risultano particolarmente fredde perché non raggiunte da luce diretta».

Queste aree si chiamano PSR, dall’inglese Permanently Shadowed Regions, regioni permanentemente in ombra. Al loro interno esistono poi delle sottozone ancora più fredde, le cosiddette cold trap – letteralmente «trappole del freddo» – dove la temperatura rimane stabilmente al di sotto dei 110 Kelvin (circa meno 163 gradi Celsius), soglia al di sotto della quale il ghiaccio non sublima e può persistere per ere geologiche.

Non è tutto così semplice. Non tutte le regioni permanentemente in ombra sono anche cold trap. Alcuni crateri profondi, pur essendo sempre al riparo dalla luce solare diretta, ricevono calore indiretto irradiato dalle pareti illuminate che riflettono la luce facendo sì che il ghiaccio non si conservi. È il caso del cratere Shackleton, esattamente al polo sud: nonostante la sua ombra antica quasi 3,5 miliardi di anni, per la maggior parte di questo periodo, ha registrato al suo interno una temperatura troppo alta per consentire l’accumulo di ghiaccio. La sua cold trap, cioè la zona davvero abbastanza fredda da intrappolare l’acqua, ha in realtà solo circa mezzo miliardo di anni.

 

Il cambio di paradigma

Per decenni, tra le varie ipotesi sull’origine dell’acqua lunare, è circolata anche quella di un singolo grande evento — una cometa o un asteroide ricco di ghiaccio — che avrebbe colpito la Luna in un momento preciso, depositando la maggior parte delle riserve idriche in una volta sola. Lo studio di Aharonson, Hayne e Schörghofer esclude questa possibilità in modo diretto. I dati LAMP mostrano che la frazione di ghiaccio esposto cresce in modo pressoché lineare con l’età della regione in ombra, a partire da circa 1,5 miliardi di anni fa fino a oggi. Se il ghiaccio fosse arrivato tutto in una volta sola ci aspetteremmo una distribuzione uniforme indipendente dall’età — cosa che i dati smentiscono. De Sanctis conferma che questa lettura era già considerata la più plausibile dagli studiosi: «Il singolo evento catastrofico difficilmente è considerato la causa della presenza di acqua sul suolo lunare».

La spiegazione alternativa è quella di un flusso continuo di materiale ricco di acqua — comete, asteroidi, vento solare, forse anche attività vulcanica interna — che nel corso di miliardi di anni ha alimentato le cold trap lunari. Un processo che secondo i modelli elaborati dai tre autori è ancora in atto. Come conferma Schörghofer: «Questa è la prima prova osservativa che il contenuto di ghiaccio dei crateri lunari non dipende dall’età del cratere, ma dal momento in cui esso è diventato permanentemente in ombra. Inoltre, il ghiaccio è stato trasportato nelle regioni polari lunari non una sola volta bensì in più occasioni ripetute nel tempo».

«Il momento più sorprendente della ricerca»

«Quando abbiamo terminato l’analisi della storia termica e abbiamo effettuato il primo confronto con i dati LAMP, sono rimasto sorpreso dalla tendenza che abbiamo osservato» racconta Hayne definendo questo confronto come il momento più sorprendente della ricerca. «Mostrava che le ombre più antiche e fredde erano i luoghi con le maggiori concentrazioni d’acqua: una vera e propria “prova schiacciante” di un trasporto d’acqua sulla Luna avvenuto a lungo termine. È stato un momento emozionante perché ha messo in discussione le teorie moderne su un possibile impatto cometario recente come fonte dell’acqua lunare».

Un equilibrio delicato

Se il ghiaccio continua ad arrivare, ci si potrebbe chiedere se le riserve lunari siano quindi destinate ad aumentare nel tempo. La risposta però non è così semplice. «È difficile dirlo. Direi che i processi di fornitura sono certamente in corso, ma lo sono anche i processi di perdita. Abbiamo scoperto prove del fatto che sono in un equilibrio approssimativo» sostiene l’autore Oded Aharonson.

De Sanctis è sulla stessa lunghezza d’onda, aggiungendo una prospettiva storica: «Sicuramente ci sono state epoche del sistema solare — il cosiddetto heavy bombardment — che hanno portato tantissimo materiale ricco di acqua, quello stesso materiale che ha portato l’acqua sulla Terra e che ha colpito la Luna. Oggi la frequenza degli impatti è decisamente più bassa, quindi mi sentirei quasi più di dire che non andremo ad avere un aumento nei prossimi anni, anzi potremmo assistere ad una sorta di diminuzione».

Il modello teorico sviluppato nella ricerca tiene poi conto di tre processi fondamentali: la sorgente di acqua (il materiale che arriva), la perdita di superficie (sublimazione, erosione da raggi ultravioletti e da particelle energetiche) e il rimescolamento del suolo per impatto di micrometeorite — un processo chiamato gardening, che può seppellire il ghiaccio in profondità o riportarlo in superficie. Lo studio ha anche scoperto che la frazione di ghiaccio esposto nelle regioni più giovani è di circa il 3,4%, un dato che dimostra come l’arrivo di acqua sia continuato fino a tempi recenti, almeno negli ultimi 100 milioni di anni.

I crateri più antichi: la migliore speranza per gli astronauti

Se l’ipotesi di un accumulo continuo è corretta, ne segue una conseguenza pratica di grande importanza: i crateri con le cold trap più antiche sono quelli che hanno avuto più tempo per accumulare ghiaccio e sono quindi i più promettenti per l’esplorazione futura. Lo studio identifica nel polo sud lunare sette grandi cold trap con età superiore ai 3,3 miliardi di anni: i crateri Haworth, Shoemaker, Faustini, Amundsen C, Stose, Brill (all’interno di De Gerlache) e un cratere senza nome a 87,6 gradi di latitudine sud. Come sottolinea Aharonson: «I nostri risultati aiutano a indicare i serbatoi più antichi, che hanno accumulato ghiaccio più a lungo e che sono proprio le posizioni ideali per la futura esplorazione».

È un’indicazione importante anche nel contesto del programma Artemis della NASA e delle numerose missioni robotiche che diverse agenzie spaziali stanno pianificando per i poli lunari. L’acqua, se accessibile in quantità sufficiente, potrebbe essere utilizzata direttamente dagli astronauti nella più banale delle sue declinazioni (per bere), ma anche scissa nei suoi componenti — idrogeno e ossigeno — per produrre carburante o aria respirabile. Come osserva De Sanctis: «L’acqua serve in primis a noi per vivere. Poi si può anche estrarre l’idrogeno da varie rocce lunari, combinarlo e crearla, però se si trova l’acqua è tutto più semplice».

Gli strumenti impiegati nella ricerca

Trovare il ghiaccio non è così immediato come potrebbe sembrare. Uno strumento ottico, come la camera ShadowCam — progettata proprio per osservare le zone in ombra con altissima sensibilità — non ha rilevato contrasti evidenti nei depositi di ghiaccio nelle aree già esplorate. «Se ci sono, sono probabilmente sotto una piccola coltre di polvere di regolite», spiega De Sanctis, «o comunque questa camera non li ha evidenziati nelle zone che ha indagato».

Ogni strumento guarda a profondità diverse: un sensore ottico vede solo la superficie immediata, un radar penetra più in profondità. Questo spiega perché, nonostante decenni di osservazioni, la ricerca del ghiaccio lunare non abbia ancora prodotto dati davvero conclusivi. «Nella ricerca del ghiaccio sulla Luna — ammette De Sanctis — sebbene ci siano tante indicazioni, tante misure, nessuna è veramente conclusiva. Non si capisce bene quanto, non si capisce esattamente in quali posti, non è chiaro se si trova in superficie, subito sotto la superficie o leggermente più in profondità».

Lo stesso limite lo riconosce Hayne, che nel tracciare bilancio della ricerca non nasconde alcune questioni ancora aperte: «Il nostro studio evidenzia la potenza del telerilevamento dalle missioni in orbita lunare, come il Lunar Reconnaissance Orbiter della NASA. Tuttavia, mostra anche i limiti dei dataset esistenti. Abbiamo davvero bisogno di nuove missioni di telerilevamento con strumenti moderni, preferibilmente sulla superficie. C’è ancora del mistero riguardo alla distribuzione irregolare dell’acqua all’interno delle regioni permanentemente in ombra».

I prossimi passi: rover, lander e la sfida dell’atterraggio

La strada verso una risposta definitiva passa per missioni robotiche mirate. «Ci sono tante iniziative di sonde senza l’uomo — spiega De Sanctis — che andranno nei prossimi anni a esplorare le zone polari proprio per verificare queste ipotesi sul ghiaccio, la profondità, l’accessibilità. Quasi tutte le agenzie spaziali che stanno pianificando missioni ne hanno prevista qualcuna per l’esplorazione dei poli. Nel giro di un paio di anni almeno alcuni dei risultati di queste missioni arriveranno e ci diranno qualcosa di più».

Anche la scelta del sito di atterraggio è tutt’altro che semplice. Le zone permanentemente in ombra, per definizione, sono al buio: un ambiente difficile e rischioso per i sistemi di navigazione automatica. «Non è solo l’interesse scientifico — avverte De Sanctis — si fanno tante ricerche su questi siti di allunaggio che hanno più possibilità di ospitare ghiaccio, si scelgono quelle che sono zone permanentemente in ombra con determinate caratteristiche, si vedono i dati acquisiti da lontano, ma ci sono anche, inevitabilmente, vincoli ingegneristici. Non devono essere troppo piene di massi e vanno fatte considerazioni di sicurezza per l’atterraggio».

Quello che lo studio di Aharonson, Hayne e Schörghofer offre, al di là della risposta sulla storia del ghiaccio lunare, è dunque anche una mappa di priorità per l’esplorazione: i crateri più antichi, con le cold trap che hanno operato più a lungo, sono i luoghi dove con più probabilità si troverà la maggiore concentrazione di ghiaccio. «L’acqua giocherà un ruolo centrale nel futuro delle missioni, e potremmo arrivare a vedere questa fase dell’esplorazione lunare come una “corsa al ghiaccio”, simile alla corsa all’oro in California dell’Ottocento» sostiene l’autore Paul Hayne. Esplorazioni dunque da leggere non solo come una scoperta scientifica, ma una bussola per chi, nei prossimi decenni, dovrà decidere dove posare i piedi sulla Luna.