Через несколько лет НАСА отправит астронавтов на Луну впервые со времен Аполлона (1969-1972). В рамках программы Artemis долгосрочной целью является создание необходимой инфраструктуры для «непрерывной программы исследования Луны». Возможности, которые это предоставит для лунных исследований, огромны и, вероятно, приведут к новым открытиям о формировании и эволюции Луны.
В частности, ученые надеются исследовать давнюю тайну того, была ли у Луны магнитосфера. В ожидании того, что могут обнаружить ученые, международная группа геофизиков во главе с Рочестерским университетом исследовала образцы лунного материала, привезенные астронавтами Аполлона. Основываясь на составе этих образцов, команда определила, что динамо-машина Луны была недолговечной.
Ради своего исследования команда исследовала образцы лунного стекла из молодого ударного кратера (возрастом около 2 миллионов лет). Это столкновение привело к смешению материала на поверхности с материалом мантии, возникшего вскоре после образования Луны (примерно 4,5 миллиарда лет назад). В прошлом исследование лунных горных пород показало признаки сильной земной намагниченности, указывающие на воздействие магнитного поля.
В случае с Землей магнитное поле нашей планеты (также известное как магнитосфера) является результатом геодинамо глубоко в ядре нашей планеты. Это создается движением расплавленного внешнего ядра вокруг твердого внутреннего ядра, которое генерирует мощные электрические токи, составляющие магнитное поле Земли. В течение некоторого времени ученые осознали важную роль, которую наше магнитное поле играет в поддержании обитаемости здесь, на Земле.
Если бы не это поле, поверхность нашей планеты подверглась бы бомбардировке интенсивным солнечным излучением и космическими лучами. Вдобавок взаимодействие с заряженными частицами Солнца (солнечный ветер) в течение эонов медленно убирало бы нашу атмосферу (что и произошло на Марсе). Хотя сегодня у Луны нет магнитного поля, о котором можно было бы говорить, когда-то оно было, поэтому возникает вопрос, как долго оно существовало.
Более того, у ученых есть много нерешенных вопросов о том, как Луна могла выдерживать магнитное поле, учитывая ее размер и массу. Как объяснил главный автор исследования Джон Тардуно в недавнем выпуске Рочестерского центра новостей:
«Это новая парадигма лунного магнитного поля. Начиная с миссий Аполлона, была идея, что у Луны было магнитное поле, которое было таким же или даже более сильным, чем магнитное поле Земли около 3,7 миллиарда лет назад.
Ядро земного спутника довольно небольшое, из-за чего ему было бы трудно управлять магнитным полем. При этом, предыдущие измерения, в которых регистрировалось мощное магнитное поле, не проводились с использованием экспериментов по нагреванию. Там были задействованы другие менее точные методы».
На протяжении многих лет Тардуно был лидером в области палеомагнетизма, где геофизики изучают развитие магнитного поля Земли, чтобы узнать больше о планетарной эволюции, изменении окружающей среды и о том, как они взаимосвязаны. Используя лазеры на углекислом газе (CO 2), Тардуно и его команда нагревали образцы лунного стекла в течение коротких периодов времени, а затем измеряли их магнитные сигналы с помощью высокочувствительных сверхпроводящих магнитометров.
Это позволило им получить более точные показания намагниченности, не изменяя их, что могло быть фактором в прошлом и приводило к неверным результатам. К сожалению, исследователи определили, что полученные ими показания могли быть результатом ударов метеоритов или комет, а не магнитного поля. Точно так же исследование других образцов показало, что у них есть потенциал для регистрации сильных магнитных полей, подобных динамо-сердечнику.
Однако эти образцы не показали никакой намагниченности, что является еще одним признаком того, что Луна никогда не обладала долгоживущим магнитным полем. По словам Тардуно:
«Одна из проблем с лунными образцами заключалась в том, что магнитные носители в них весьма подвержены изменениям. При нагревании лазером нет никаких доказательств изменения наших измерений, поэтому мы можем избежать проблем, с которыми люди могли столкнуться в прошлом.
Если бы на Луне было магнитное поле, все исследуемые нами образцы должны были бы иметь намагниченность, но это не так. Это довольно убедительно, что на Луне не было длительного динамо-поля».
Эти результаты противоречат предыдущим исследованиям, проведенным Департаментом Земли, атмосферы и планет Массачусетского технологического института, где анализ лунных пород, собранных миссией Аполлон-15, показал, что у Луны было магнитное поле всего 1 и 2,5 миллиарда лет назад. До этого ученые предположили, что магнитное поле Луны исчезло примерно через 1 миллиард лет после того, как оно сформировалось (примерно от 3 до 3,5 миллиардов лет назад).
Последствия этих открытий весьма значительны с точки зрения нашего понимания состава и эволюции Луны. Без защиты магнитного поля Луна была бы восприимчива к солнечному ветру, который мог бы вызвать имплантацию летучих соединений в лунный грунт. К ним относятся углерод, водород, вода, а также такие соединения, как гелий 3, которых на Земле не так много. Тардуно отмечает:
«Наши данные показывают, что мы должны смотреть на верхний предел оценок гелия-3, потому что отсутствие магнитного экрана означает, что больше солнечного ветра достигает поверхности Луны, что приводит к гораздо более глубоким резервуарам гелия-3, чем люди думали ранее.
«С учетом фона, предоставленного нашим исследованием, ученые могут более правильно подумать о следующей серии лунных экспериментов, которые необходимо провести. Эти эксперименты могут быть сосредоточены на текущих лунных ресурсах и на том, как мы могли бы их использовать, а также на исторических записях того, что находится в ловушке лунного грунта».
Когда астронавты начнут проводить долгосрочные пребывания на поверхности Луны, им придется полагаться на местные источники льда и другие ресурсы для поддержки своих операций — процесс, известный как использование ресурсов на месте (ISRU). Это исследование может помочь в проведении полевых исследований, создании необходимой инфраструктуры и удовлетворении потребностей в электроэнергии. Например, гелий-3 в настоящее время используется для медицинской визуализации и криогеники, а когда-нибудь может быть использован в качестве топлива для термоядерных реакторов.
Короткоживущая магнитосфера также означает, что поверхность Луны имеет более полную запись выбросов солнечного ветра. Это может позволить ученым восстановить данные о солнечной активности и эволюции Солнца, исследуя почвы на разной глубине. Исследование под названием «Отсутствие долгоживущей лунной палеомагнетосферы», описывающее выводы команды, недавно появилось в журнале Science Advances.
