Тайна разгадана: почему две стороны Луны такие разные

Это как заглянуть внутрь арбуза, не разрезая его. Вы можете определить, созрел ли плод, крупные или мелкие у него семена, много или мало в нем воды... и все это, просто осмотрев его снаружи. Именно этим ученые занимаются уже много лет, хотя и не с арбузами, а со спутниками , астероидами и даже целыми планетами. Для этого они используют тонкую, но мощную силу гравитации и благодаря ей получают доступ к секретам, которые покоятся внутри.

Два недавних исследования НАСА, опубликованные в журналах « Nature » и « Nature Astronomy », являются прекрасным примером того, как анализ гравитационных данных, собранных орбитальными космическими аппаратами, производит революцию в нашем понимании планетарных структур. И все это без необходимости приземляться на его поверхность. Хотя Луна, наш естественный спутник, и Веста , гигантский астероид, находящийся в главном поясе между Марсом и Юпитером, являются совершенно разными небесными телами, в обоих исследованиях использовалась схожая методика для выявления ранее не публиковавшихся подробностей об их внутреннем составе.

Для исследования Луны, опубликованного в журнале Nature , ученые разработали новую гравитационную модель нашего спутника, которая учитывает мельчайшие изменения его гравитационного поля на протяжении всей его эллиптической орбиты вокруг Земли.

Эти колебания приводят к тому, что Луна слегка деформируется из-за «приливной силы», оказываемой нашей планетой. Это явление известно как «приливная деформация». Этот едва заметный «изгиб» Луны дает важную информацию о ее глубокой внутренней структуре. Это все равно, что сжимать рукой резиновый мяч. Его форма изменится из-за давления. Аналогичным образом Земля оказывает гравитационное «притяжение» на Луну , заставляя ее слегка растягиваться и сжиматься по мере ее вращения по орбите. То, как Луна реагирует на это давление, то есть как она деформируется, зависит от того, как распределена масса внутри нее. Более жесткий интерьер на самом деле будет деформироваться меньше, чем более гибкий.

Используя сложную компьютерную модель, исследователи создали самую подробную на сегодняшний день гравитационную карту Луны. Чрезвычайно точное картирование лунной гравитации, которое, кстати, не только полезно для такого рода научных исследований, но и представляет собой бесценный инструмент для будущих космических миссий .

Достижение стало возможным благодаря исчерпывающему анализу данных, собранных в ходе миссии NASA GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory) . Два космических аппарата миссии, получившие название Ebb and Flow, вращались вокруг Луны с декабря 2011 года по декабрь 2012 года, измеряя мельчайшие изменения ее гравитационного поля с поразительной точностью.

Один из самых интригующих выводов этого исследования сосредоточен на различиях между видимой стороной Луны (той, которую она всегда нам показывает) и ее скрытой стороной. В то время как на первой стороне преобладают обширные темные равнины, известные как «лунные моря», состоящие из расплавленной породы, которая остыла и затвердела миллиарды лет назад, обратная сторона гораздо более гористая и неровная, с небольшим количеством «морей».

Некоторые теории предполагают, что причиной этих различий может быть интенсивная вулканическая деятельность на видимой стороне. Этот процесс мог привести к накоплению в глубинах мантии радиоактивных элементов, которые генерируют тепло. Новое исследование подтверждает это, тем самым утверждая себя как самое убедительное на сегодняшний день доказательство этой гипотезы.

«Мы обнаружили, что ближняя сторона Луны прогибается сильнее, чем дальняя », — объясняет Райан Парк из Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии, руководитель обоих исследований, — «это означает, что во внутренней структуре двух сторон есть что-то принципиально разное». Когда мы впервые проанализировали данные, результаты оказались настолько удивительными, что мы не могли в них поверить. Поэтому мы повторили расчеты много раз, чтобы проверить результаты. В общей сложности это десятилетие работы.

Сравнивая свои результаты с другими существующими моделями, команда Парка обнаружила небольшую, но существенную разницу в величине деформации между двумя лунными полушариями. Наиболее вероятным объяснением является то, что ближняя сторона состоит из материалов, поступающих из более теплой области мантии. Что, кроме того, является убедительным доказательством вулканической активности, которая сформировала поверхность видимой части планеты между 2 и 3 миллиардами лет назад.

Во втором исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy , ученые применили аналогичную методику для анализа вращательных свойств Весты — небесного тела, намного меньшего по размерам, чем Луна. Используя радиометрические данные сети Deep Space Network НАСА и изображения с космического аппарата Dawn, который вращался вокруг астероида с июля 2011 года по сентябрь 2012 года, команда обнаружила нечто удивительное в его внутренней структуре.

До сих пор господствующая теория предполагала, что Веста, как и планеты земной группы, такие как наша, должна иметь четко выраженные внутренние слои: каменистую кору, мантию и плотное железное ядро. Однако новые данные показали, что внутренняя часть Весты может быть гораздо более однородной , с очень небольшим количеством или даже без железного ядра.

Чтобы понять, как был сделан этот вывод, необходимо разобраться в понятии «момент инерции». Представьте себе фигуристку, вращающуюся с вытянутыми вперед руками. Если вы поднимите их и они прилипнут к вашему телу, скорость вашего вращения увеличится. Это происходит потому, что его момент инерции уменьшается по мере приближения массы (плечей) к его оси вращения. Аналогичным образом, измеряя то, как Веста «качается» во время вращения, ученые могут определить ее момент инерции — свойство, очень чувствительное к распределению массы внутри нее. Низкий момент инерции будет указывать на концентрацию массы по направлению к центру, тогда как высокий момент инерции будет предполагать более равномерное распределение.

Измерения, проведенные командой Парка, показали, что Веста соответствует второму варианту, указывая на более однородное распределение массы и очень маленькое или даже отсутствующее плотное ядро. Открытие ставит под сомнение предыдущие теории образования Весты .

Гравитация обычно заставляет более тяжелые элементы со временем опускаться к центру планетарного тела, как это произошло, например, с жидким железным ядром Земли. Более однородная структура Весты может указывать на то, что она никогда не образовывала отдельных слоев или что она образовалась из фрагментов другого планетарного тела в результате мощного удара.

Важно отметить, что этот подход использования данных гравитации для определения внутренней структуры небесных тел не является уникальным для Луны и Весты. В 2016 году Райан Парк сам применил ту же технику к данным миссии Dawn по изучению Цереры — карликовой планеты, также расположенной в поясе астероидов. Результаты этого исследования показали, что внутренняя часть Цереры частично дифференцирована.

Совсем недавно Парк и его команда распространили эту методологию на Ио, вулканический спутник Юпитера. Используя данные, собранные космическими аппаратами НАСА «Юнона» и «Галилео» во время их пролетов около Юпитера, и объединив их с наземными наблюдениями, ученые измерили едва заметные изменения гравитации Ио во время его вращения вокруг Юпитера — огромной планеты, оказывающей мощное приливное воздействие. Их выводы показали, что на Ио вряд ли есть глобальный океан магмы, хотя эта гипотеза рассматривалась ранее.

«Наша методика, — говорит Парк, — не ограничивается Ио, Церерой, Вестой или Луной. В будущем появится множество возможностей применить ее для изучения недр интересных планетарных тел по всей Солнечной системе».