Почему на Луне есть магнитные породы, если нет поля? Ученые раскрыли роль астероидов и «дрожащих» камней

Луна, наша верная спутница, хранит немало секретов. Один из них десятилетиями не давал покоя ученым: откуда на ней, небесном теле, лишенном сегодня глобального магнитного поля, взялись участки с сильно намагниченными породами? Ведь это все равно что найти компас, указывающий на север, в мире, где северного магнитного полюса просто нет. Данные, полученные еще с орбитальных аппаратов и благодаря образцам, доставленным миссиями «Аполлон», ясно указывали — лунная поверхность испещрена такими магнитными «оазисами», особенно на ее загадочной обратной стороне. И вот, кажется, команда из Массачусетского технологического института (MIT) подбросила научному сообществу весьма убедительную и, что немаловажно, изящную разгадку.

Загадка с бородой… лунной

Прежде чем погрузиться в детали нового исследования, давайте разберемся, почему это вообще проблема. Магнитное поле планетарного масштаба — штука не случайная. На Земле, например, оно генерируется благодаря эффекту динамо: конвективные потоки в жидком металлическом внешнем ядре создают электрические токи, которые, в свою очередь, порождают и поддерживают магнитное поле. Это поле защищает нас от вредного космического излучения и, кстати, позволяет пользоваться компасами.

Логично было предположить, что и у Луны когда-то давно, на заре ее юности, могло быть активное ядро и, соответственно, свое динамо. Такое поле, пусть и слабее земного из-за меньших размеров лунного ядра, могло бы оставить «магнитные отпечатки» в остывающих породах. Эта гипотеза имеет право на жизнь, но интенсивность некоторых «магнитных аномалий», особенно на обратной стороне Луны, вызывала вопросы. Слабое поле маленького ядра — и вдруг такие мощные локальные отпечатки? Что-то здесь не сходилось.

Ученые рассматривали и другие сценарии. Например, не могло ли гигантское столкновение с астероидом или кометой создать облако плазмы, которое, взаимодействуя с каким-нибудь внешним магнитным полем (например, солнечным, которое хоть и слабое на орбите Луны, но все же есть), могло бы локально усилить его и «намагнитить» породы? Попытки смоделировать такой процесс предпринимались. В 2020 году та же группа ученых из MIT (Рона Оран и Бенджамин Вайсс, соавторы и нынешнего исследования) проверяла эту идею. Увы, расчеты показали, что усиления солнечного поля за счет импактной плазмы было бы недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемую силу лунного магнетизма. Казалось, эта версия зашла в тупик.

Рецепт лунного магнетизма от MIT: смешать, но не взбалтывать!

Новая работа, опубликованная в Science Advances, предлагает взглянуть на проблему под другим углом. Что если не пытаться усилить солнечное поле, а взять за основу собственное, пусть и очень древнее и слабое, лунное динамо-поле, и добавить к этому мощный импактный «катализатор»?

Исследователи предположили, что у ранней Луны все-таки было свое динамо, генерировавшее магнитное поле напряженностью примерно в 1 микротесла. Это примерно в 50 раз слабее, чем современное магнитное поле Земли — негусто, прямо скажем. Но это только первый ингредиент.

Второй ключевой компонент — это грандиозное столкновение, сопоставимое по масштабам с тем, что породило Море Дождей (Imbrium basin) — один из крупнейших ударных бассейнов на видимой стороне Луны. Такой удар, по расчетам, должен был испарить колоссальное количество вещества с поверхности, создав гигантское облако раскаленной, ионизированной материи — плазмы.

И вот тут начинается самое интересное. Моделирование, проведенное командой (с использованием кодов, разработанных в том числе коллегами из Мичиганского университета), показало, что эта плазменная волна не просто рассеивалась, а, обтекая Луну, концентрировалась на ее противоположной стороне — аккурат там, где часто и находят сильно намагниченные породы! Эта сконцентрированная плазма, подобно гигантскому магнитному поршню, сжимала и кратковременно, но очень сильно, усиливала существовавшее слабое магнитное поле Луны. Весь процесс — от удара до пика усиления поля и его последующего затухания — занимал, по оценкам, всего около 40 минут! Миг по геологическим меркам.

Когда камни дрожат и запоминают

Сорок минут — это много или мало, чтобы порода успела «запомнить» это усиленное поле? Оказывается, достаточно, если учесть еще один фактор. Удар такой силы не проходит бесследно для всего тела Луны. Он генерирует мощнейшие сейсмические волны, которые, проходя сквозь спутник, сходятся как раз на противоположной от удара стороне. Это похоже на то, как если бы вы ударили по одному боку арбуза, а самый сильный отзвук почувствовали бы с другой стороны.

Эти сейсмические волны, достигнув «антипода» точки удара, буквально встряхивали местные породы. А что происходит с микроскопическими «магнитиками» (ориентированными спинами электронов) в минералах породы при такой встряске в присутствии сильного внешнего магнитного поля? Правильно, они получают возможность переориентироваться и «застыть» в новом направлении, соответствующем этому полю. Бенджамин Вайсс сравнивает это с подбрасыванием колоды карт, где каждая карта — маленький компас: когда они оседают, то выстраиваются по действующему магнитному полю. Так, «дрожащие» от сейсмического удара породы на обратной стороне Луны смогли зафиксировать кратковременный, но мощный всплеск магнитного поля, усиленного импактной плазмой.

И тут все сходится почти идеально. Одним из крупнейших ударных образований на Луне является Море Дождей на видимой стороне. А где мы находим самые интригующие магнитные аномалии? Правильно, на обратной стороне, как раз напротив! Это уже не просто совпадение, а серьезный аргумент в пользу предложенной модели.

Не «или-или», а «и то, и другое»

Прелесть новой гипотезы в том, что она не отвергает начисто предыдущие идеи, а элегантно их комбинирует. Да, было древнее лунное динамо, но оно было слабым. Да, были гигантские импакты, генерировавшие плазму, но сами по себе они не могли объяснить все. А вот сочетание этих факторов — слабое собственное поле, мощный удар, плазменное усиление и сейсмическая «помощь» в записи — рисует уже гораздо более полную и убедительную картину.

Как говорит Рона Оран, «десятилетиями существовала своего рода дилемма по поводу лунного магнетизма — от ударов он или от динамо? А здесь мы говорим, что это немного и то, и другое, и это проверяемая гипотеза, что приятно».

И действительно, проверить ее можно. Будущие лунные миссии, такие как программа НАСА «Артемида», планирующие высадки в том числе в районе южного полюса на обратной стороне Луны, могли бы доставить образцы именно из этих критически важных областей. Анализ этих пород на признаки шокового воздействия и одновременной высокой намагниченности стал бы решающим подтверждением или опровержением теории.

Так, шаг за шагом, комбинируя данные наблюдений, теоретические модели и мощь компьютерного моделирования (кстати, расчеты проводились на суперкомпьютере MIT SuperCloud), ученые распутывают самые сложные загадки Вселенной. И тайна лунного магнетизма, похоже, стала чуточку менее таинственной. А это значит, что мы стали еще немного лучше понимать историю нашего ближайшего космического соседа.