Proč jsou některé měsíční kameny silně magnetické? Vědci z MIT možná našli odpověď

Odkud se vzal magnetismus Měsíce? Tato otázka trápila vědce po desetiletí, od té doby, co obíhající družice zaznamenaly stopy silného magnetického pole v měsíčních horninách na povrchu. Samotný Měsíc dnes žádný vlastní magnetismus nemá.

Vědci z MIT možná rozluštili záhadu. Navrhují, že kombinace starověkého, slabého magnetického pole a velkého impaktu generujícího plazmu mohla dočasně vytvořit silné magnetické pole soustředěné na odvrácené straně Měsíce.

Ve studii publikované v časopise Science Advances výzkumníci ukazují prostřednictvím podrobných simulací, že impakt, například z velkého asteroidu, mohl generovat oblak ionizovaných částic, který na krátkou dobu obklopil Měsíc. Tato plazma by se proudila kolem Měsíce a koncentrovala se na opačné straně od místa původního dopadu. Tam by plazma interagující se slabým magnetickým polem Měsíce dočasně zesílila jeho intenzitu. Jakékoli horniny v této oblasti by mohly zaznamenat stopy zvýšeného magnetismu, než pole rychle zesláblo.

Tato kombinace událostí by mohla vysvětlit přítomnost vysoce magnetických hornin detekovaných v oblasti poblíž jižního pólu na odvrácené straně Měsíce. Náhodou se jedna z největších impaktních pánví – Imbriumská pánev – nachází na přesně opačném místě na přivrácené straně Měsíce. Vědci se domnívají, že cokoli způsobilo tento impakt, pravděpodobně uvolnilo mrak plazmy, který spustil scénář v jejich simulacích.

„Existují velké části lunárního magnetismu, které jsou stále nevysvětlené,“ říká hlavní autor Isaac Narrett, postgraduální student na katedře věd o Zemi, atmosféře a planetárních vědách MIT (EAPS). „Ale většinu silných magnetických polí, která měří obíhající kosmické lodě, lze tímto procesem vysvětlit – zvláště na odvrácené straně Měsíce.“

Mezi spoluautory Narretta patří Rona Oran a Benjamin Weiss z MIT, spolu s Katarinou Miljkovic z Curtin University, Yuxi Chen a Gábor Tóth z University of Michigan v Ann Arbor a Elias Mansbach PhD '24 z Cambridge University. Nuno Loureiro, profesor jaderné vědy a techniky na MIT, také přispěl svými poznatky a radami.

Za Sluncem

Vědci již desítky let vědí, že Měsíc obsahuje pozůstatky silného magnetického pole. Vzorky z povrchu Měsíce, které přivezli astronauti na misích Apollo NASA v 60. a 70. letech, stejně jako globální měření Měsíce prováděná dálkově obíhajícími družicemi, ukazují stopy zbylého magnetismu v povrchových horninách, zejména na odvrácené straně Měsíce.

Typické vysvětlení magnetismu povrchu je globální magnetické pole generované vnitřním „dynamem“ nebo jádrem z roztaveného, vířivého materiálu. Země dnes generuje magnetické pole procesem dynama a předpokládá se, že Měsíc to kdysi také dělal, i když jeho mnohem menší jádro by produkovalo mnohem slabší magnetické pole, které nemusí vysvětlovat vysoce magnetizované horniny, které byly pozorovány, zejména na odvrácené straně Měsíce.

Alternativní hypotéza, kterou vědci čas od času testovali, zahrnuje obrovský impakt, který vygeneroval plazmu, která zase zesílila jakékoli slabé magnetické pole. V roce 2020 Oran a Weiss ověřili tuto hypotézu pomocí simulací obrovského impaktu na Měsíci v kombinaci se slunečně generovaným magnetickým polem, které je slabé, jak se rozprostírá k Zemi a Měsíci.

V simulacích testovali, zda by impakt na Měsíci mohl zesílit takové sluneční pole natolik, aby se vysvětlila vysoce magnetická měření povrchových hornin. Ukázalo se, že tomu tak nebylo, a jejich výsledky zdánlivě vyloučily plazmou indukované impakty jako roli v chybějícím magnetismu Měsíce.

Impuls a chvění

Ale ve své nové studii vědci zvolili jiný přístup. Místo uvažování o slunečním magnetickém poli předpokládali, že Měsíc kdysi hostil dynamo, které produkovalo vlastní magnetické pole, i když slabé. Vzhledem k velikosti svého jádra odhadli, že takové pole by mělo být asi 1 mikrotesla, nebo 50krát slabší než pole Země dnes.

Z tohoto výchozího bodu vědci simulovali velký impakt na povrch Měsíce, podobný tomu, který by vytvořil Imbriumskou pánev na přivrácené straně Měsíce. Pomocí simulací impaktu od Katariny Miljkovic tým poté simuloval oblak plazmy, který by takový impakt vygeneroval, když síla impaktu vypařila povrchový materiál. Adaptovali druhý kód, vyvinutý spolupracovníky na Michiganské univerzitě, k simulaci toho, jak by výsledná plazma proudila a interagovala se slabým magnetickým polem Měsíce.

Tyto simulace ukázaly, že když by se oblak plazmy zvedl z impaktu, část by se rozšířila do vesmíru, zatímco zbytek by se proudil kolem Měsíce a koncentroval se na opačné straně. Tam by plazma stlačila a na krátkou dobu zesílila slabé magnetické pole Měsíce. Celý tento proces, od okamžiku, kdy bylo magnetické pole zesíleno, do doby, kdy se vrátí na základní úroveň, by byl neuvěřitelně rychlý – asi 40 minut, říká Narrett.

Bylo by toto krátké okno dostatečné na to, aby okolní horniny zaznamenaly okamžitý magnetický impuls? Vědci říkají ano, s pomocí dalšího, impaktem souvisejícího efektu.

Zjistili, že impakt v měřítku Imbria by vyslal tlakovou vlnu Měsícem, podobnou seismickému šoku. Tyto vlny by se sbíhaly na druhou stranu, kde by šok „chvěl“ okolní horniny, na krátkou dobu by znepokojil elektrony hornin – subatomární částice, které přirozeně orientují své spiny k jakémukoli vnějšímu magnetickému poli. Vědci se domnívají, že horniny byly zasaženy právě v okamžiku, kdy plazma impaktu zesílila magnetické pole Měsíce. Jak se elektrony hornin usadily zpět, zaujaly novou orientaci v souladu s okamžitě vysokým magnetickým polem.

„Je to jako kdybyste hodili balíček 52 karet do vzduchu v magnetickém poli a každá karta má magnetickou jehlu,“ říká Weiss. „Když se karty usadí zpět na zem, udělají tak v nové orientaci. To je v podstatě proces magnetizace.“

Vědci říkají, že tato kombinace dynama a velkého impaktu spolu se šokovou vlnou impaktu stačí k vysvětlení vysoce magnetizovaných povrchových hornin Měsíce – zejména na odvrácené straně. Jedním ze způsobů, jak se o tom přesvědčit, je přímo odebrat vzorky hornin na stopy šoku a vysokého magnetismu. To by mohlo být možné, jelikož se horniny nacházejí na odvrácené straně, poblíž lunárního jižního pólu, kde plánují výzkum mise, jako je program Artemis NASA.

„Několik desetiletí existuje jakási hádanka ohledně magnetismu Měsíce – je to z impaktů, nebo je to z dynama?“ říká Oran. „A tady říkáme, že je to trochu obojí. A je to ověřitelná hypotéza, což je pěkné.“

Simulace týmu byly provedeny pomocí MIT SuperCloud. Tento výzkum byl částečně financován NASA.