Еще со времен Аполлона ученые знали, что в прошлом на Луне было какое-то магнитное поле, но сейчас его нет. Новые исследования лунных образцов Аполлона отвечают на некоторые из этих вопросов, но они также создают намного больше вопросов, на которые нужно ответить.
Лунные образцы, возвращенные миссиями Аполлона, свидетельствуют о намагниченности. Скалы намагничиваются, когда они нагреваются, а затем охлаждаются в магнитном поле. Когда они охлаждаются ниже температуры Кюри (около 800 градусов C, в зависимости от материала), металлические частицы в породе выстраиваются вдоль окружающих магнитных полей и замерзают в этом положении, создавая остаточную намагниченность.
Эта намагниченность также может быть измерена из космоса. Исследования с орбитальных спутников показывают, что намагниченность Луны распространяется далеко за пределы областей, отобранных астронавтами Аполлона. Все это намагничивание означает, что Луна, должно быть, имела магнитное поле в некоторый момент в своей ранней истории.
Большинство магнитных полей, которые мы знаем в Солнечной системе, генерируются динамо. По сути, это включает конвекцию в металлическом жидком ядре, которое эффективно перемещает электроны атомов металла, создавая электрический ток. Этот ток затем индуцирует магнитное поле. Считается, что сама конвекция управляется охлаждением. По мере охлаждения внешнего ядра более холодные участки погружаются во внутреннюю часть и позволяют более теплым внутренним частям двигаться наружу наружу.
Поскольку Луна такая маленькая, магнитное динамо, управляемое конвективным охлаждением, должно было отключиться примерно 4,2 миллиарда лет назад. Таким образом, доказательство намагниченности после этого времени потребует либо 1) источника энергии, отличного от охлаждения, для управления движением жидкого ядра, либо 2) совершенно другого механизма для создания магнитных полей.
Лабораторные эксперименты предложили один такой альтернативный метод. Крупные удары, формирующие бассейн, могут создавать кратковременные магнитные поля на Луне, которые будут регистрироваться в горячих материалах, выбрасываемых во время столкновения. Фактически, некоторые наблюдения намагниченности расположены на противоположной стороне Луны (антипода) от больших бассейнов.
Итак, как вы можете определить, была ли намагниченность в породе ядром динамо или ударным событием? Ну, ударные магнитные поля длятся всего около 1 дня. Если камень охлаждался очень медленно, он не регистрировал бы такое короткоживущее магнитное поле, поэтому любой магнетизм, который он сохранял, должен был быть создан динамо. Кроме того, породы, которые были вовлечены в воздействия, свидетельствуют о шоке в их минералах.
Один лунный образец, номер 76535, который свидетельствует о медленном охлаждении и отсутствии шоковых эффектов, имеет отчетливую остаточную намагниченность. Это, наряду с возрастом образца, свидетельствует о том, что Луна имела жидкое ядро и динамо-генерируемое магнитное поле 4,2 миллиарда лет назад. Такое ядро динамо согласуется с конвективным охлаждением. Но что, если есть более молодые образцы?
Новые исследования, недавно опубликованные в «Науке» Эрин Ши и ее коллегами, позволяют предположить, что это может быть именно так. Госпожа Ши, аспирантка Массачусетского технологического института, и ее команда изучили образец 10020, базальтовый кобыл 3,7 миллиарда лет, привезенный астронавтами Аполлона-11. Они продемонстрировали, что образец 10020 не показывает признаков шока в его минералах. По их оценкам, для охлаждения образца потребовалось более 12 дней, что намного медленнее, чем время жизни индуцированного ударом магнитного поля. И они обнаружили, что образец очень сильно намагничен.
Из своих исследований г-жа Ши и ее коллеги пришли к выводу, что Луна имела сильное магнитное динамо и, следовательно, движущееся металлическое ядро, около 3,7 миллиардов лет назад. Это хорошо после того времени, когда конвективное охлаждающее динамо отключилось бы. Однако неясно, был ли динамо постоянно активным, начиная с 4,2 миллиарда лет назад, или механизм, который перемещал жидкое ядро, был таким же в 4,2 и 3,8 миллиарда лет. Итак, какие еще есть способы поддерживать движение жидкого ядра?
Недавние исследования, проведенные группой французских и бельгийских ученых под руководством доктора Ле Барса, показывают, что сильные удары могут разблокировать Луну от ее синхронного вращения с Землей. Это создало бы приливы в жидком ядре, очень похожие на океаны Земли. Эти приливы в ядре вызовут значительные искажения на границе ядро-мантия, что может привести к крупномасштабным потокам в ядре, создавая динамо.
В другом недавнем исследовании доктор Дуайер и его коллеги предположили, что прецессия оси вращения Луны может размешать жидкое ядро. Близость ранней Луны к Земле привела бы к колебанию оси вращения Луны. Эта прецессия будет вызывать различные движения в жидком ядре и в покрывающей твердой мантии, вызывая длительное (более 1 миллиарда лет) механическое перемешивание ядра. Доктор Дуайер и его команда считают, что такое динамо естественно отключилось около 2,7 миллиардов лет назад, когда Луна со временем отошла от Земли, уменьшив ее гравитационное влияние.
К сожалению, магнитное поле, предложенное при исследовании образца 10020, не соответствует ни одной из этих возможностей. Обе эти модели будут создавать магнитные поля, которые являются слишком слабыми, чтобы вызвать сильную намагниченность, наблюдаемую в образце 10020. Для объяснения этих новых результатов потребуется найти другой метод мобилизации жидкого ядра Луны.
Источники:
Долгоживущее Лунное Ядро Динамо. Shea et al. Science 27, January 2012, 453-456. DOI: 10.1126 / science.1215359.
Долгоживущий лунный динамо, управляемый непрерывным механическим перемешиванием. Ле Барс и соавт. Природа 479, ноябрь 2011, 212-214. DOI: 10.1038 / nature10564.
Импульсный динамо для ранней Луны. Дуайер и соавт. Природа 479, ноябрь 2011, 215-218. DOI: 10.1038 / nature10565.
