8 Minutės
Nauja Mėnulio matavimų analizė patvirtina tai, ką seismologija ir senų duomenų peržiūra jau rodė: Mėnulyje po skystu išoriniuoju sluoksniu slypi geležimi praturtintas, kietas vidinis branduolys. Šis atradimas patikslina mūsų vaizdą, kaip susiformavo ir vystėsi Mėnulis, ir padeda geriau suprasti ankstyvąsias jo magnetinio lauko istorijos stadijas.
Why probing the Moon's interior matters
Suprasti Mėnulio vidinę sandarą yra daugiau nei akademinė smalsumo išraiška. Kietųjų ir skystųjų sluoksnių išsidėstymas lemia termodinamiką, vulkaninį aktyvumą ir magnetinio lauko formavimąsi. Magnetinis laukas, kurį Mėnulis turėjo prieš kelis milijardus metų, nulemia, kaip Saulės vėjas paveikė mėnulio paviršių ir kiek lakiųjų elementų paviršiuje išliko arba prarasta. Žinant, ar mėnulio širdis yra kieta ar ištirpusi, galime geriau rekonstruoti Saulės sistemos ankstyvąjį, smūgių kupiną laikotarpį ir mėnulio bombardavimo chronologiją.
How scientists reached the new verdict
Seisminės bangos yra patikimiausias įrankis žvilgtelėti į planetų ir palydovų vidų. Žemėje žemės drebėjimai leidžia geologams nubrėžti branduolio ir plutos sluoksnius. Mėnuliui Apollo misijų laikų seismometrai suteikė naudingų, bet ribotų duomenų. Tie įrenginiai rodė požymių apie skystą išorinį branduolį, tačiau duomenų raiška paliko galimybę dviem interpretacijoms: arba branduolys buvo visiškai ištirpęs, arba jis buvo sluoksniuotas — kietas vidinis rutulys apsuptas skysčiaus apvalkalu.
Norėdami išspręsti šią dviprasmybę, Astronomo Arthur Briaud vadovaujama mokslininkų grupė Prancūzijos Nacionaliniame mokslo tyrimų centre (CNRS) sujungė kelis, nepriklausomus matavimus, o ne rėmėsi vien tik Apollo seizmologija. Jie surinko duomenų rinkinius iš erdvėlaivių sekimo (spacecraft tracking), Mėnulio lazerinio nuotolio (lunar laser-ranging) eksperimentų, Žemės sukeltos mėnulio potvyninių deformacijų matavimų ir svyravimų bei atstumų kintamumo stebėjimų. Šie stebimi dydžiai apriboja masės pasiskirstymą ir medžiagų savybes branduolyje ir mantijoje.
Turėdami šį stebėjimų komplektą, tyrėjai sukonstravo fizikinius modelius su įvairiomis branduolio konfigūracijomis. Kiekvienas modelis pateikė prognozes, kaip Mėnulis turėtų svyruoti (libracija), deformuotis ir reaguoti į potvynio jėgas; komandai teko lyginti tas prognozes su faktinėmis matavimų eilutėmis ir nustatyti, kuri vidinė sandara geriausiai atitinka realybę. Analizėje naudojami parametrai apėmė masės ir inercijos momentus, Love skaičius (matuojančius potvynio deformaciją), rotacijos variacijas ir galimus skirtingų sluoksnių sukamuosius momentus.
What they found: a small iron heart
Modeliai, kurie geriausiai sutapo su stebėjimais, apėmė konvektyvią mantiją su aktyviu perkėlimu (mantle overturn) ir dviejų dalių branduolį: skystą išorinį apvalkalą ir kietą vidinį rutulį. Geriausiai tinkantys dydžiai nurodo išorinį branduolio spindulį maždaug 362 kilometrus (225 mylių) ir vidinio branduolio spindulį apie 258 kilometrus (160 mylių) — tai sudaro apie 15 procentų viso Mėnulio spindulio. Vidinio branduolio tankis įvertintas apie 7 822 kilogramus kubiniame metre, kas labai artima gryno geležies tankiui.
Šie rezultatai patvirtina ankstesnius 2011 metų tyrimus, kuriuos vadovavo NASA Marshall laboratorijos mokslininkė Renee Weber: ji peranalizavo Apollo seisminius įrašus naudodama modernesnius metodus ir pranešė apie maždaug 240 km spindulio kietą vidinį branduolį, kurio tankis buvo arti 8 000 kg/m3. Briaud ir kolegos traktuoja šį sutapimą kaip nepriklausomą patvirtinimą: skirtingi metodai ir duomenų rinkiniai rodo panašią, miniatiūrinę Žemei būdingą branduolio struktūrą.
Be fizinių parametrų, analizuoti ir suderinamumo klausimai: kaip skirtingos branduolio kompozicijos (pvz., geležė su nikelio priemaišomis arba geležė su šviesinamosiomis priemaišomis, tokiomis kaip sieros kiekis) paveiktų tankio prognozes ir dinaminį elgesį. Tyrėjai palieka erdvę tokioms variacijoms, bet dauguma geriausiai atitinkančių modelių reikalauja aukšto vidinio tankio, suderinamo su geležies dominuojančia sudėtimi.
Why mantle overturn matters
Kitas modeliavimo rezultatas — įrodymai apie gilų mantijos perversmą Mėnulyje. Mantijos perversmas reiškia tankesnių medžiagų grimzdimą link centro, o lengvesnių medžiagų kylimą į viršų. Žemėje mantijos konvekcija varo tektoniką ir ugnikalnių veiklą; Mėnulyje perversmas gali paaiškinti chemines anomalijas kai kuriose vulkaninėse srityse, pavyzdžiui, padidėjusį inkompatibilių elementų (pvz., švino, cirkonio, retųjų žemių) kiekį, atneštą į paviršių.
Briaud komanda teigia, kad mantijos perversmas vaidino lemiamą vaidmenį mėnulio evoliucijoje, ypač per pirmąją milijardą metų po susiformavimo, kai stiprūs smūgiai ir vidinė diferenciacija buvo aktyviausi. Tokie procesai galėjo pakeisti lokalią termochiminę stratifikaciją, suformuoti regioninius karštosios dėmės stiliaus iškylimus ir paskatinti vėlesnius mare bazaltų užliejimus, kurie matomi šiandien kaip tamsios mėnulio jūros.
Techniniu požiūriu mantijos perversmas taip pat turi pasekmių šilumos transportui: jei gilios, radijoaktyviomis medžiagomis praturtintos zonos pakyla į viršų, tai gali prailginti vietinį šiluminį aktyvumą ir paaiškinti regionines vulkanizmo bangas, stebėtas geologinių tyrinėjimų metu. Tokie mechanizmai yra svarbūs modeliuojant mėnulio geoterminį biudžetą ir ilgaamžiškumą.
Implications for the lunar magnetic field and history
Žinome, kad Mėnulis anksčiau generavo stiprų magnetinį lauką, kuris susilpnėjo maždaug prieš 3,2 milijardo metų. Standartinis paaiškinimas tokiems senoviniams laukams — dynamo mechanizmas, varomas skysčių judėjimu metaliniame branduolyje. Jei Mėnulis turi skystą išorinį branduolį, apgaubiantį kietą vidinį branduolį, tokia geometrinė konfigūracija gali paremti dinaminį efektą ankstyvaisiais laikotarpiais ir padėti suprasti, kodėl laukas vėliau nunyko, kai vidaus vėsimas ir konvekcijos sulėtėjimas prislopino dynamo veiklą.
Preciziškesnis branduolio dydžio ir sudėties nustatymas siaurina galimų dynamo istorijų spektrą: ar laukas buvo palaikomas branduolio kristalizacijos energijos (kaip tai vyksta Žemėje dėl inner-core growth), ar jis buvo varomas termochemine konvekcija, susijusia su lengvesnių elementų išsiskyrimu? Kiek ilgai likutinė šiluma ir radioaktyviosios medžiagos galėjo palaikyti konvekciją? Atsakymai į šiuos klausimus prisideda prie platesnių scenarijų apie uolinių kūnų vėsimo ir magnetinių laukų evoliuciją Saulės sistemos pradžioje.
Be to, modelio rezultatai leidžia geriau vertinti, kaip magnetinis laukas galėjo apsaugoti mėnulio paviršių nuo erozinių Saulės vėjo efektų ir kaip tai paveikė volatiliųjų junginių išsaugojimą. Tai svarbu rekonstruojant mėnulio cheminę istoriją ir galimus volatiliųjų koncentracijų šaltinius bei nuostolius.
Expert Insight
Dr. Elena Moretti, planetinė geofizikė (fikcinė), tyrinėjanti mažųjų kūnų vidus, komentuoja: 'Nepriklausomų duomenų konvergencija yra įtikinama. Tai parodo, kaip lazerinis nuotolio matavimas, erdvėlaivių sekimas ir kruopštus fizinis modeliavimas kartu gali atskleisti vidines struktūras, kurias senesnės seisminės stotys negalėjo išspręsti. Mėnulio mažas kietasis branduolys turi dideles pasekmes tam, kada ir kaip nutrūko jo dynamo veikla.'
Tokių ekspertų komentarai pabrėžia tyrimo patikimumą: kai kelios nepriklausomos metodikos — seismika, LLR, orbitiniai stebėjimai ir fizikiniai modeliai — veda prie panašių išvadų, pasitikėjimas rezultatais auga. Tai taip pat sukuria naujus klausimus dėl tikslių sudedamųjų dalių ir vidinių procesų, kuriuos reikės toliau tirti.
What comes next: missions, measurements, and human return
Galutinis šių modelių patikrinimas bus nauji seisminiai matavimai ant mėnulio paviršiaus. Būsimi robotiniai landeriai ir su žmonėmis vykstančios misijos galėtų išdėstyti modernizuotus seismometrus su didesniu jautrumu ir geresne pasauline aprėptimi nei Apollo, tiesiogiai fiksuodami branduolio atspindėtas bangas ir daug tiksliau ribodami branduolio spindulį, tankį ir būvį. Planuojamos naujos misijos — įskaitant NASA Artemis programą, Kinijos Luna programos tęstinumą ir kitų agentūrų bei komercinių partnerių projektus — suteikia galimybę pastatyti tiksliai orientuotas geofizines stotis, kurios likusias nežinomybės sritis galėtų išspręsti per kelerius metus, o ne dešimtmečius.
Praktiniai seismometrai, reikalingi tokiems tyrimams, turi būti plataus dažnio juostos (broadband) su ilgesniu registravimo laiku, išdėstyti keliuose regionuose, kad būtų galima trianguliuoti požemines šaltinius ir atspindžius. Papildomi instrumentai — gręžinio analizė, magnetometrai, termometrai ir orbitoje esantys radaro bei gravimetriniai matavimai — padės sujungti rezultatus į išsamesnį Mėnulio vidinio modelį. Be to, nauji, aukštesnės raiškos Apollo laikų duomenų peranalizavimai ir skaitmeniniai metodai gali suteikti papildomos informacijos.
Tuo tarpu straipsnis, paskelbtas žurnale Nature, susiaurina mėnulio evoliucijos pasakojimą. Jis rodo Mėnulį ne tiek vienišą reliktą, kiek artimą Žemės giminaitį — panašią vidinę architektūrą, bet skirtingą paviršiaus istoriją. Ši panašumas tampa galingu apribojimu tyrėjams, rekonstrukuojantiems Saulės sistemos ankstyvąsias knygas: bendri procesai (diferenciacija, konvekcija, dinaminės veiklos bočkos) veikia tiek Žemę, tiek Mėnulį, nors masteliai ir laikas skiriasi.
Galiausiai, šis darbas prisideda prie platesnio mėnulio geofizikos ir planetaryinės mokslų pavadinimų augimo: geresnis vidinių sluoksnių supratimas atveria plačiau apibrėžtas hipotezes apie uolinių palydovų susidarymą, dinaminius procesus ir ilgalaikes evoliucines trajektorijas, kurios yra aktualios ne tik Mėnuliui, bet ir kitiems Saulės sistemos kūnams.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą