Coraz większa liczba sejsmologów używa kabli światłowodowych do wykrywania fal sejsmicznych na Ziemi – ale jak ta technologia sprawdziłaby się na Księżycu i co by nam powiedziała o głębokich warstwach naszego najbliższego sąsiada w kosmosie?
W Seismological Research Letters Wenbo Wu z Instytutu Oceanograficznego Woods Hole wraz ze współpracownikami bada pomysł rozmieszczenia światłowodowej sieci sejsmicznej na Księżycu, omawiając niektóre wyzwania, które należy pokonać.
Testują także tę hipotetyczną sieć, korzystając ze sztucznych sejsmogramów utworzonych na podstawie danych zebranych przez sejsmometry umieszczone na powierzchni Księżyca w ramach misji Apollo. Na podstawie wyników Wu i współpracownicy twierdzą, że światłowodowa sieć sejsmiczna mogłaby zidentyfikować rodzaj fal sejsmicznych, które dostarczyłyby więcej informacji o głębokiej strukturze jądra Księżyca.
Cztery sejsmometry umieszczone na Księżycu w latach 1969–1976 przez misje Apollo zarejestrowały tysiące zdarzeń sejsmicznych w ciągu siedmiu lat po bliższej stronie Księżyca. Do zdarzeń tych zaliczały się płytkie i głębokie trzęsienia księżyca, a także uderzenia meteorytów.
Dane sejsmiczne z programu Apollo przyniosły jednak kilka pytań bez odpowiedzi: co wyjaśnia tajemniczy brak trzęsień księżyca wykrytych po niewidocznej stronie Księżyca? I dlaczego sejsmometry Apollo wykryły trzęsienia Księżyca występujące od 700 do 1100 kilometrów pod powierzchnią, na głębokości Ziemi, gdzie ciepło i ciśnienie doprowadziłyby do odkształcenia plastycznego zamiast do kruchego pęknięcia trzęsienia ziemi?
Odpowiedź na te pytania będzie wymagać znacznie większej liczby sejsmometrów rozmieszczonych w trudnych warunkach w celu rejestrowania dodatkowych zdarzeń sejsmicznych, do czego – sugerują naukowcy – do tego zadania dobrze nadają się światłowodowe sieci sejsmiczne.
Wu i współpracownicy proponują zastosowanie rozproszonego wykrywania akustycznego (DAS) w nowej sieci księżycowej. DAS wykorzystuje drobne wewnętrzne wady długiego światłowodu jako czujniki sejsmiczne. Przyrząd zwany interrogatorem umieszczony na jednym końcu światłowodu wysyła impulsy laserowe w dół kabla, które odbijają się od wad światłowodu i wracają do instrumentu. Kiedy włókno zostaje zakłócone przez aktywność sejsmiczną, badacze mogą zbadać zmiany w odbitych impulsach, aby dowiedzieć się więcej o powstałych falach sejsmicznych.
„To bardzo gęsty układ sejsmiczny” – powiedział Wu. „Jeden kabel umożliwia podłączenie tysięcy pojedynczych czujników”.
Jednym z największych wyzwań dla sejsmologii księżycowej jest porowaty i spękany płaszcz gruzu zwany regolitem, który pokrywa powierzchnię Księżyca. Niektóre z pierwszych fal sejsmicznych wykrytych po trzęsieniu Księżyca są rozproszone przez tę warstwę, a rozproszenie przesłania później pojawiające się fale, które mogą dostarczyć więcej informacji o głębokościach Księżyca.
Dane zebrane przez tysiące czujników w układzie DAS można porównać za pomocą techniki przetwarzania sygnału zwanej układaniem macierzy, jak demonstrują Wu i współpracownicy. Technika ta pomaga oddzielić „głębokie sygnały ukryte w rozproszonych falach” od innych źródeł zewnętrznego szumu sejsmicznego – wyjaśnił Wu.
Kiedy zespół zastosował tę technikę na sztucznych sejsmogramach, był w stanie odzyskać fazę fali sejsmicznej zwaną ScS, która jest falą ścinającą, czyli falą S, która przemieszcza się od początku trzęsienia ziemi w kierunku jądra Księżyca, zanim zostanie odbita na powierzchnię.
Wu powiedział, że ważne jest przeprowadzenie tego rodzaju eksperymentów przed rozmieszczeniem rzeczywistego układu światłowodowego na Księżycu. „Przed wystrzeleniem należy przeprowadzić solidne symulacje numeryczne propagacji fal” – powiedział. „Odrabiamy pracę domową, aby dowiedzieć się, czy możemy uzyskać dane i jakie rzeczy możemy z nimi zrobić”.
Jeśli naukowcom uda się znaleźć sposoby na zapewnienie zasilania i naprawę sieci sejsmicznej światłowodów księżycowych, układ będzie mógł działać latami, zauważył Wu. „Na Ziemi, jeśli zasilanie będzie w porządku, możemy je utrzymać przez dziesięciolecia”.
W artykule SRL naukowcy sugerują, że możliwe byłoby połączenie DAS z innymi proponowanymi programami księżycowymi, takimi jak umieszczenie radioteleskopu, który wymagałby już kabli światłowodowych do podłączenia do anteny, po niewidocznej stronie Księżyca.
„Jeśli uda nam się połączyć te projekty w celu zaoszczędzenia kosztów, naprawdę zwiększy to szansę na urzeczywistnienie tego projektu i wywarcie maksymalnego wpływu naukowego” – powiedział Wu.