60-километровый вулканический комплекс под Луной может хранить следы её исчезнувшего магнитного поля
Огромная вулканическая структура, погребённая под обратной стороной Луны, может хранить свидетельства времени, когда у нашего ближайшего соседа было то, чего у него нет сегодня: глобальное магнитное поле, генерируемое в его недрах. Исследователи, объединившие орбитальные гравитационные и магнитные измерения, обнаружили плотное, сильно намагниченное тело диаметром около 60 километров под областью Дьюар, простирающееся примерно на девять километров ниже лунной поверхности.
Исследователи из ETH Zurich, Немецкого аэрокосмического центра и TU Berlin сообщают о результатах в Science Advances. Их анализ указывает на крупное тело древней застывшей магмы, скрытое под корой, связывая одну из необычных магнитных аномалий Луны с физической геологической структурой под ней. Их расчёты показывают, что порода была намагничена примерно 4,2 миллиарда лет назад в поле, превышающем 11 микротесла, — свидетельство, согласующееся с активным лунным динамо в то время.
Современная Земля генерирует своё магнитное поле через движение в жидком внешнем ядре. Проводящий материал движется, формируются электрические токи, и планетарное магнитное поле окружает планету. У сегодняшней Луны нет сопоставимого глобального поля, но намагниченные породы, разбросанные по её коре, показывают, что участки поверхности испытывали значительные магнитные поля миллиарды лет назад.
Определить, откуда взялись эти древние поля, оказалось трудно. Образцы Apollo дали противоречивые палеомагнитные свидетельства, причём одни исследования указывали на долгоживущее внутреннее динамо, а другие ставили под сомнение, генерировала ли Луна такое поле так долго или так сильно, как предполагалось. Крупные астероидные удары предлагают другую возможность, потому что экстремальные температуры, плазма и ударные процессы могут создавать или изменять намагниченность без необходимости долгоживущего поля, генерируемого лунным ядром.
Си Ян и коллеги подошли к вопросу с орбиты, а не полагаясь на единственный возвращённый камень. Они изучили область Дьюар на обратной стороне Луны, где заметная магнитная аномалия перекрывается с необычной яркой поверхностной особенностью, известной как лунный вихрь. Совместно анализируя гравитационные измерения и магнитные наблюдения, команда реконструировала свойства коры под этой особенностью и искала геологическую структуру, способную производить оба сигнала.
Из моделирования возникло неглубокое, высокоплотное и сильно намагниченное тело под Дьюар. Его размеры огромны по человеческим меркам: примерно 60 километров в ширину и до глубины около девяти километров. Поверхностная химия, форма рельефа и структура плотности указывают на магматическое происхождение, причём исследователи интерпретируют тело как застывшую магму, которая поднялась через лунные недра миллиарды лет назад и оказалась погребённой.
Возраст даёт следующую часть головоломки. Геологические соотношения в регионе указывают, что вулканическое тело предшествует материалу, отложенному над ним более поздним ударом, сформировавшим бассейн, что позволяет исследователям поместить его формирование примерно на 4,2 миллиарда лет назад. Если расплавленная порода остывала через магнитные минералы при наличии внешнего магнитного поля, эти минералы могли зафиксировать направление и интенсивность того поля, подобно тому как железосодержащие породы на Земле сохраняют следы древнего магнетизма нашей планеты.
Моделирование предполагает, что поле, необходимое для создания намагниченности Дьюар, превышало 11 микротесла. Магнитное поле на поверхности Земли сегодня значительно варьируется, но обычно составляет несколько десятков микротесла, помещая предполагаемое древнее лунное значение в тот же широкий планетарный масштаб, а не в крошечные остаточные поля, обнаруживаемые сейчас вокруг изолированных участков Луны. Такое поле согласуется с внутренним динамо, работавшим в лунном ядре в то время, когда магма остывала.
Дьюар особенно полезен потому, что исследователи не рассматривают магнетизм в изоляции. Плотное вулканическое тело, поверхностная химия, согласующаяся с вулканическим материалом, и магнитная сигнатура — всё это встречается в одном регионе, давая команде способ связать намагниченную кору с правдоподобным исходным материалом. Эту связь гораздо труднее установить для лунных магнитных аномалий, где учёные видят поле с орбиты, но не могут определить, какая геологическая структура его произвела.
Прямо над аномалией находится ещё одна лунная загадка. Дьюар содержит одну из ярких, закручивающихся формаций, называемых лунными вихрями, — странные узоры, которые могут выглядеть нарисованными на иначе тёмной поверхности, хотя они не просто следуют холмам, долинам или краям кратеров. Похожие вихри в других местах Луны также связаны с локальными магнитными полями, что побуждает исследователей изучать, может ли магнетизм изменять то, как поверхность взаимодействует с частицами, летящими от Солнца.
Один предложенный механизм включает ориентацию локального поля. Команда Яна обнаружила, что для создания вихря Дьюар, по-видимому, требуется сильная горизонтальная намагниченность в сочетании с богатым железом поверхностным материалом. Линии магнитного поля возле поверхности могут отклонять часть солнечного ветра, уменьшая космическое выветривание, которое обычно затемняет лунную почву за огромные периоды времени и позволяет защищённым областям оставаться ярче окружающих.
Этот эффект имеет последствия для будущего исследования Луны, хотя локальные коровые поля не следует путать с защитной магнитосферой, подобной земной. Исследователи предполагают, что вихри могут помочь определить области, где магнитные поля уменьшают воздействие частиц солнечного ветра на поверхности. Детальные измерения с посадочных аппаратов или астронавтов могли бы определить, насколько велико это уменьшение и предлагают ли эти места полезные естественные лаборатории для изучения взаимодействий между Солнцем и лишённым атмосферы планетным телом.
Дьюар также показывает, как учёные могут исследовать планетные недра без бурения километров породы. Гравитационные измерения выявляют изменения подземной плотности, а магнитные измерения показывают, насколько сильно материал был намагничен. Сочетание обоих позволяет исследователям построить трёхмерную картину, в которой скрытая геологическая структура может быть напрямую сопоставлена с магнитным полем, обнаруженным над ней.
Похожие техники могли бы в конечном счёте применяться и в других местах. Марс сохраняет большие участки сильно намагниченной коры, несмотря на потерю глобального магнитного поля миллиарды лет назад, что делает его очевидной целью для сопоставимой работы, когда станут доступны достаточно детальные наборы данных. Понимание того, когда древние динамо включались и выключались, помогает исследователям реконструировать, как остывали планетные недра, как эволюционировали ядра и насколько открытыми для солнечной среды становились их поверхности.
Для Луны аномалия Дьюар, возможно, запечатлела геологический снимок из её самой ранней истории. Масса магмы поднялась под обратной стороной, застыла в магнитном поле и осталась погребённой, пока миллиарды лет ударов перекраивали поверхность над ней. Более четырёх миллиардов лет спустя космические аппараты, измеряющие крошечные изменения гравитации и магнетизма, возможно, восстановили отпечаток планетной системы, исчезнувшей задолго до того, как на Земле возникла сложная жизнь.
Исследователям всё ещё нужны прямые измерения из региона, чтобы проверить модель и точно определить, что лежит под Дьюар. Но сочетание погребённого вулканического комплекса, сильной коровой магнитной аномалии и древнего лунного вихря даёт будущим миссиям конкретное место для исследования. Вместо того чтобы спрашивать только, генерировала ли молодая Луна магнитное поле, у учёных теперь есть цель в 60 километров, где часть ответа может всё ещё сохраняться под землёй.
