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Durante o Missão lunar Apollo 15 em 1971O astronauta comandante David Scott deixou cair um martelo geológico de 1,32 kg feito de alumínio e uma pena de falcão de 0,03 kg de uma altura de cerca de 1,6 metros no regolito lunar. Os dois objetos atingiram o solo ao mesmo tempo. O experimento validou o princípio da equivalência, afirmando que a gravidade atua em todos os objetos de teste da mesma forma, independentemente de sua massa ou composição.
Esta demonstração não funciona tão bem na Terra. A pena do falcão teria sido desacelerada pelo atrito no ar como resultado de sua grande área de superfície por unidade de massa. Da mesma forma, gotas de chuva são desaceleradas pelo ar e atingem uma velocidade terminal de vários metros por segundo, com uma magnitude proporcional à raiz quadrada de seu tamanho. A força de atrito – que é proporcional à área vezes a velocidade ao quadrado, equilibra a gravidade – que é proporcional à massa. A aceleração gravitacional na superfície da Lua é uma pequena fração de 16,6% em relação à da Terra, mas quão mais rarefeita é a atmosfera da Lua?
Existem cerca de um quinto de milhão de átomos por centímetro cúbico na atmosfera lunar, um quarto de um quatrilhão de vezes menos que a densidade numérica de moléculas na atmosfera da Terra. Antes da minha corrida matinal de hoje, calculei que o atrito na atmosfera lunar deve ter desacelerado um pouco a pena do falcão para que ela realmente atingisse o regolito lunar um terço de um femtossegundo após o martelo. Se David Scott tivesse instrumentação científica avançada em mãos, ele poderia ter medido esse pequeno atraso.
A massa total da atmosfera lunar é de cerca de 25 toneladas. É composto principalmente de hélio, neônio, hidrogênio molecular e argônio, com pequenas contribuições de metano, amônia e dióxido de carbono.
Por causa da baixa gravidade da Lua, moléculas leves ou átomos como hidrogênio e hélio recebem energia suficiente do aquecimento solar para escapar em apenas algumas horas. Átomos mais pesados levam mais tempo para escapar, mas são eventualmente ionizados pela radiação ultravioleta do Sol, após o que são levados para longe da Lua pelo vento solar. A alta taxa de escape da atmosfera lunar implica que deve haver uma fonte contínua de átomos e moléculas para manter até mesmo uma atmosfera tênue.
Qual é a fonte da atmosfera lunar? Um novo artigo em Revista científica sugere que, em longos períodos de tempo, o impacto de micrometeoroides é a principal fonte de átomos e moléculas frescos na atmosfera lunar. Esta conclusão foi baseada em análise de isótopos de alta precisão de potássio e rubídio em solos lunares coletados pelas missões Apollo. O estudo testou 10 amostras de solo lunar retiradas de diferentes locais na Lua. Os resultados implicaram que a atmosfera lunar é reabastecida principalmente por impactos de micrometeoroides, enquanto o intemperismo pelo vento solar contribui com menos de 30% para o suprimento atmosférico.
Pequenos fragmentos rochosos na forma de micrometeoroides do sistema solar impactam a Lua a uma velocidade característica de várias dezenas de quilômetros por segundo, comparável à velocidade do sistema Terra-Lua ao redor do Sol. Esta é uma ordem de magnitude maior do que a velocidade de escape de 2,4 quilômetros por segundo da superfície lunar. Como resultado, os átomos liberados da superfície lunar pelos bombardeios constantes de meteoroides criam uma nuvem de detritos na forma de uma atmosfera ao redor da Lua.
O fluxo de massa transportado por micrometeoróides e poeira cósmica depósitos da ordem de 28 toneladas por dia na Terra. A área da superfície da Lua é 7,4% da da Terra, sugerindo que a superfície lunar recebe cerca de 2 toneladas de material por dia. Dado que metade da velocidade de impacto ao quadrado é cem vezes acima da energia de ligação gravitacional por unidade de massa (metade da velocidade de escape ao quadrado) da superfície lunar, a entrada abundante de energia cinética pelos micrometeoroides e poeira em queda pode facilmente manter uma massa atmosférica lunar estável de 25 toneladas abaixo da velocidade de escape.
Uma das principais limitações das observações astronômicas da Terra é a opacidade atmosférica e o brilho infravermelho. Moléculas, átomos e íons atmosféricos espalham e absorvem luz, bloqueando a radiação ultravioleta e de raios X. Por causa da atmosfera lunar diluída e da falta de poluição luminosa, a Lua oferece uma plataforma muito melhor para observatórios astronômicos.
Os benefícios lunares se estendem aos observatórios de ondas gravitacionais. A atmosfera lunar é um milhão de vezes mais diluída do que o melhor vácuo alcançou nos sistemas de vácuo LIGO-Virgo-KAGRA, e o ruído sísmico lunar é menor do que na Terra. Reconhecendo esses benefícios, propus em um artigo de 2021 com Karan Jani da Universidade Vanderbilt para estabelecer um observatório gravitacional lunar. Nossos cálculos sugeriram que tal observatório pode detectar buracos negros astrofísicos de todas as massas até quando as primeiras estrelas se formaram. Até agora, nossa proposta se materializou em uma colaboração internacional chamada Antena Lunar Interferométrica Laser (LILA), que conta com o apoio de 13 organizações.
A atmosfera lunar pode mudar uma vez humanos se estabelecem na Lua. Em particular, quando a NASA Programa Artemis para estabelecer uma base humana sustentável na Lua se concretizar, a maquinaria pesada empregada em canteiros de obras lunares provavelmente aumentará a abundância de átomos, moléculas e poeira na atmosfera lunar.
Esperamos que dentro dos habitats construídos na Lua, seja possível respirar ar fresco com a pressão atmosférica e a composição familiares 78,08% de nitrogênio molecular e 20,95% de oxigênio molecular.
Avi Loeb é o chefe do Projeto Galileo, diretor fundador da Iniciativa do Buraco Negro da Universidade de Harvard, diretor do Instituto de Teoria e Computação do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica e ex-presidente do departamento de astronomia da Universidade de Harvard (2011-2020). Ele é ex-membro do Conselho de Consultores do Presidente em Ciência e Tecnologia e ex-presidente do Conselho de Física e Astronomia das Academias Nacionais. Ele é o autor best-seller de “Extraterrestre: O primeiro sinal de vida inteligente além da Terra” e coautor do livro didático “A vida no cosmos”, ambos publicados em 2021. Seu novo livro, intitulado “Interestelar”, foi publicado em agosto de 2023.
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