Ученые раскрыли главный секрет Луны, который ускользал от астрономов несколько столетий

Луна, наш ближайший космический сосед и единственный естественный спутник Земли, хранит в своих недрах и на поверхности ключи к пониманию ранней истории Солнечной системы. В новом исследовании ученые смогли приблизиться к раскрытию одной из самых интригующих тайн Луны.

Десятилетия исследований, начиная с эпохи программы «Аполлон» и анализа доставленных образцов лунного грунта (реголита и коренных пород), выявили интригующую аномалию: наличие остаточного магнетизма в некоторых лунных породах. Это явление, известное как палеомагнетизм, стало настоящей головоломкой для планетологов, геофизиков и специалистов в области физики твердого тела, ведь современная Луна не обладает глобальным дипольным магнитным полем, сравнимым с земным геомагнитным полем, генерируемым эффектом динамо в жидком ядре.

Лунное магнитное поле

Отсутствие активного внутреннего динамо-механизма у современной Луны делает обнаружение сильно намагниченных образцов, особенно на ее обратной стороне, еще более загадочным. Как могли эти породы, сформировавшиеся миллиарды лет назад в условиях, казалось бы, лишенных значительного магнитного поля, приобрести и сохранить столь интенсивную намагниченность? Этот вопрос затрагивает фундаментальные аспекты планетарной эволюции, физики плазмы, механики ударных процессов и даже материаловедения на уровне атомной структуры минералов. Изучение магнитных свойств лунных базальтов, анортозитов и импактных брекчий требует комплексного подхода.

Новое исследование, проведенное группой ученых из Массачусетского технологического института (MIT), предлагает новаторское объяснение этой лунной магнитной загадки. Их работа, основанная на сложном численном моделировании и анализе данных дистанционного зондирования Луны, предполагает, что наблюдаемый интенсивный палеомагнетизм является результатом синергетического эффекта – комбинации древнего, но слабого собственного магнитного поля Луны и катастрофического импактного события, породившего облако высокоэнергетической плазмы.

Эта гипотеза открывает новые перспективы в изучении не только селенологии (науки о Луне), но и общих закономерностей формирования магнитных полей у скалистых тел Солнечной системы, лишенных атмосферы.

Взгляд в прошлое

В центре предложенной модели лежит предположение о существовании у ранней Луны собственного, пусть и эфемерного, магнитного поля, генерируемого конвективными потоками в ее некогда расплавленном ядре. По оценкам исследователей, напряженность этого поля была невелика, порядка 1 микротеслы, что значительно (примерно в 50 раз) слабее современного магнитного поля Земли. Такое слабое поле само по себе не могло бы объяснить наблюдаемую интенсивность намагничивания пород, достигающую значений, требующих поля на порядки сильнее.

Ключевым фактором, согласно теории ученых MIT, стало гигантское столкновение — импакт, подобный тому, что сформировал один из крупнейших лунных ударных бассейнов, Море Дождей (Imbrium basin), диаметром около 1160 км. Энергия такого гиперскоростного удара астероида или кометы была достаточна для испарения и ионизации значительного объема вещества как самого ударника, так и лунной коры.

В результате этого колоссального события образовалось обширное, горячее и плотное облако плазмы — ионизированного газа, состоящего из электронов и ионов. Это плазменное облако, обладая собственной электропроводностью и кинетической энергией, начало стремительно расширяться, окутывая Луну. Моделирование, проведенное с использованием мощностей суперкомпьютерного кластера MIT SuperCloud, показало, что плазменные потоки должны были обтекать лунную сферу и концентрироваться в области, антиподальной месту удара, то есть на противоположной стороне спутника.

Именно в этой зоне фокусировки плазмы и произошло ее взаимодействие с существовавшим слабым магнитным полем Луны. Это взаимодействие, подчиняющееся законам магнитогидродинамики, привело к его кратковременному, но очень значительному сжатию и усилению. Эффект можно сравнить с работой плазменного компрессора, локально увеличивающего плотность магнитных силовых линий.

Сложный механизм

Однако, чтобы породы «запомнили» это усиленное магнитное поле, необходим был механизм фиксации намагниченности. И здесь в игру вступает второй аспект импактного события — мощная ударная (сейсмическая) волна, распространившаяся сквозь все тело Луны от эпицентра удара. Эта волна, достигнув антиподальной области, вызвала кратковременное механическое напряжение и «встряску» горных пород. Такое ударное воздействие способно влиять на магнитные домены в ферромагнитных минералах (например, самородном железе, часто встречающемся в лунных породах в виде мелких включений, или минералах группы шпинели), облегчая их переориентацию вдоль направления приложенного внешнего магнитного поля.

Происходит своего рода шоковое намагничивание. Важно, что этот процесс «встряски» и последующей релаксации кристаллической решетки минералов совпал по времени с моментом максимального усиления локального магнитного поля плазменным облаком. Как только воздействие ударной волны прекратилось и электроны в атомах заняли новые устойчивые положения, ориентация их спинов зафиксировала направление этого кратковременно существовавшего, но сильного поля. Весь процесс — от импакта до затухания усиленного поля и фиксации намагниченности — по оценкам, занял всего около 40 минут.

Примечательно, что регионы с наиболее выраженными магнитными аномалиями на Луне, обнаруженные в ходе миссий Lunar Prospector и Kaguya, действительно часто коррелируют с областями, антиподальными крупным ударным бассейнам, таким как Море Дождей. Это служит косвенным подтверждением предложенной модели. Например, высокая намагниченность пород в районе южного полюса — Эйткен, крупнейшего известного ударного кратера в Солнечной системе, также может быть частично объяснена схожими процессами, хотя и требует дальнейшего детального изучения.

«На протяжении нескольких десятилетий существовала своего рода загадка относительно лунного магнетизма: вызван ли он импактами или динамо? — комментирует Рона Оран, соавтор исследования. — И здесь мы говорим, что это своего рода комбинация обоих факторов. И это проверяемая гипотеза, что очень важно».

Прямая проверка этой теории станет возможной благодаря будущим лунным миссиям, включая программу NASA «Артемида», целями которой являются в том числе доставка новых образцов с южного полюса Луны и детальное изучение геологии и геофизики этих малоисследованных регионов. Анализ петрографии, минералогии (в частности, поиск ударных метаморфических изменений и изучение магнитных минералов), а также прецизионные палеомагнитные измерения на новых образцах позволят подтвердить или опровергнуть предложенный механизм. Изучение изотопного состава, например, аргон-аргоновое датирование, поможет точно установить возраст событий намагничивания.