Gdzie poszedł magnetyzm Księżyca? Naukowcy zastanawiają się nad tym pytaniem od dziesięcioleci, odkąd orbitujący statek kosmiczny zebrał oznaki wysokiego pola magnetycznego w skałach powierzchniowych księżycowych. Sam księżyc nie ma dziś nieodłącznego magnetyzmu.
Teraz naukowcy MIT mogli rozwiązać tajemnicę. Proponują, aby połączenie starożytnego, słabego pola magnetycznego i dużego uderzenia generującego plazmę mogło tymczasowo stworzyć silne pole magnetyczne, skoncentrowane po drugiej stronie Księżyca.
W badaniu pojawiającym się w czasopiśmie Science Advances naukowcy pokazują szczegółowe symulacje, że wpływ, taki jak duża asteroida, mógł wygenerować chmurę zjonizowanych cząstek, które krótko otaczyły Księżyc. Ta plazma przesuwałaby się wokół księżyca i skoncentrowałaby się w przeciwnym miejscu od początkowego uderzenia. Tam plazma oddziaływałaby i chwilowo wzmacniała słabe pole magnetyczne Księżyca. Wszelkie skały w regionie mogły zarejestrować oznaki podwyższonego magnetyzmu, zanim pole szybko umarło.
Ta kombinacja zdarzeń może wyjaśnić obecność wysoce magnetycznych skał wykrytych w regionie w pobliżu bieguna południowego, po drugiej stronie Księżyca. Tak się składa, że jeden z największych basenów uderzeniowych – basen Imbrium – znajduje się w dokładnym przeciwnym miejscu po bliskiej stronie księżyca. Naukowcy podejrzewają, że wszystko, co zrobił, prawdopodobnie opublikowało chmurę plazmy, która rozpoczęła scenariusz w ich symulacjach.
„Istnieją duże części magnetyzmu księżycowego, które są nadal niewyjaśnione” – mówi główny autor Isaaca Nrett, absolwent Departamentu MIT Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS). „Ale większość silnych pól magnetycznych, które są mierzone przez orbitowanie statku kosmicznego, można wyjaśnić tym procesem – szczególnie po drugiej stronie Księżyca”.
Współautorzy Nrett to Rona Oran i Benjamin Weiss z MIT wraz z Katariną Miljkovic na Uniwersytecie Curtin, Yuxi Chen i Gábor Tóth na University of Michigan w Ann Arbor oraz doktorat Elias Mansbach na 24 na Uniwersytecie Cambridge. Nuno Loureiro, profesor nauk nuklearnych i inżynierii w MIT, również przyczynił się do spostrzeżeń i porad.
Poza słońcem
Naukowcy od dziesięcioleci wiedzą, że Księżyc trzyma resztki silnego pola magnetycznego. Próbki z powierzchni Księżyca, zwrócone przez astronautów na misjach Apollo NASA z lat 60. i 70. XX wieku, a także globalne pomiary Księżyca wykonane zdalnie przez orbitujące statek kosmiczny, wykazują oznaki resztkowego magnetyzmu w skałach powierzchniowych, szczególnie po dalekiej stronie księżyca.
Typowym wyjaśnieniem magnetyzmu powierzchniowego jest globalne pole magnetyczne, generowane przez wewnętrzne „dynamo” lub rdzeń stopionego, ubijającego materiału. Ziemia dziś generuje pole magnetyczne poprzez proces dynamo i uważa się, że księżyc mógł zrobić to samo, chociaż jego znacznie mniejszy rdzeń wytworzyłby znacznie słabsze pole magnetyczne, które może nie wyjaśniać obserwowanych skał, szczególnie po stronie Księżyca.
Alternatywna hipoteza, którą naukowcy testowali od czasu do czasu, obejmuje gigantyczny wpływ generowania osocza, który z kolei wzmocnił wszelkie słabe pole magnetyczne. W 2020 r. Oran i Weiss przetestowali tę hipotezę z symulacjami olbrzymi wpływ na Księżyc, w połączeniu z generowanym słonecznym polem magnetycznym, które jest słabe, gdy rozciąga się na Ziemię i Księżyc.
W symulacjach sprawdzili, czy wpływ na Księżyc może wzmocnić takie pole słoneczne, wystarczające do wyjaśnienia wysoce magnetycznych pomiarów skał powierzchniowych. Okazało się, że tak nie było, a ich wyniki wydawały się wykluczać wpływ indukowany w osoczu jako odgrywanie roli w brakującym magnetyzmie Księżyca.
Skok i drganie
Ale w swoim nowym badaniu naukowcy wzięli inny hals. Zamiast rozliczać się z pola magnetycznego Słońca, założyli, że księżyc był kiedyś gościł dynamo, który stworzył własne pole magnetyczne, choć słaby. Biorąc pod uwagę wielkość jego rdzenia, oszacowali, że takie pole wynosiłaby około 1 mikrotezli, czyli 50 razy słabsze niż pole Ziemi.
Od tego punktu początkowego naukowcy symulowały duży wpływ na powierzchnię Księżyca, podobną do tego, co stworzyłoby basen Imbrium, po stronie księżyca. Korzystając z symulacji uderzenia z Katariny Miljkovic, zespół symulował chmurę osocza, że taki wpływ wygenerowałby, ponieważ siła uderzenia odparowała materiał powierzchniowy. Zaadaptowali drugi kod, opracowany przez współpracowników z University of Michigan, aby symulować, w jaki sposób powstała plazma płynie i oddziałuje ze słabym polem magnetycznym Księżyca.
Symulacje te wykazały, że gdy chmura osocza powstała z uderzenia, niektóre z nich rozszerzyłyby się w przestrzeń, podczas gdy reszta strumieniłaby się wokół księżyca i skoncentrowała się na przeciwnej stronie. Tam plazma ścisnęłaby się i krótko wzmocniłaby słabe pole magnetyczne Księżyca. Cały ten proces, od momentu, gdy pole magnetyczne zostało wzmocnione do czasu, w którym rozpada się na linię bazową, byłby niesamowicie szybki – gdzieś około 40 minut, mówi Narrett.
Czy to krótkie okno było wystarczające, aby okoliczne skały rejestrowały chwilowy skok magnetyczny? Naukowcy twierdzą: tak, z pewną pomocą innego efektu związanego z wpływem.
Odkryli, że uderzenie w skalę imbrium spowodowałby fala ciśnienia przez księżyc, podobnie jak wstrząs sejsmiczny. Fale te zbiegałyby się na drugą stronę, gdzie wstrząs „roztrząsał” otaczające skały, krótko niepokojąc elektrony skał – cząsteczki subatomowe, które naturalnie orientują ich spiny na dowolnym zewnętrznym polu magnetycznym. Naukowcy podejrzewają, że skały były zszokowane, gdy w osoczu uderzenia wzmocniło pole magnetyczne Księżyca. Gdy elektrony skały odpadły, przyjęli nową orientację, zgodnie z chwilowym polem wysokiego magnetycznego.
„To tak, jakbyś wrzucił 52-karardowy pokład w powietrze w polu magnetycznym, a każda karta ma igły kompasu”-mówi Weiss. „Kiedy karty osiedlają się na ziemi, robią to w nowej orientacji. Zasadniczo jest to proces magnetyzacji”.
Naukowcy twierdzą, że ta kombinacja dynamo i dużego uderzenia, w połączeniu z falą uderzeniową uderzenia, wystarczy, aby wyjaśnić wysoce namagnesowane skały powierzchniowe Księżyca – szczególnie po drugiej stronie. Jednym ze sposobów wiedzy jest bezpośrednio próbkowanie skał pod kątem oznak szoku i wysokiego magnetyzmu. Może to być możliwe, ponieważ skały leżą po drugiej stronie, w pobliżu Południowego Bieguna Księżycowego, gdzie misje takie jak Program Artemis NASA planują zbadać.
„Przez kilka dziesięcioleci istniał rodzaj zagadki nad magnetyzmem Księżyca – czy to z uderzeń, czy po dynamo?” Oran mówi. „A tutaj mówimy, to trochę obu. I jest to przetestowalna hipoteza, co jest miłe”.
Symulacje zespołu przeprowadzono za pomocą MIT Supercloud. Badania te zostały częściowo wspierane przez NASA.