Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Co wiemy o budowie Księżyca?

Wbrew pozorom Księżyc jest światem zróżnicowanym. Zbudowany jest z warstw o różnym składzie. Podczas formowania się naszego naturalnego satelity najcięższe materiały zagłębiły się w centrum Księżyca, a najlżejsze wypłynęły na powierzchnię. W jego centrum znajduje się gęste, metaliczne jądro. Składa się ono głównie z żelaza i pewnej ilości niklu. Jest stosunkowo małe – stanowi około 20% jego średnicy – w porównaniu do innych ciał niebieskich (takich jak Ziemia), których jądra mają średnicę bliższą 50% ich średnicy.

Powyżej jądra znajdują się płaszcz i skorupa. Różnice w składzie między tymi warstwami w pewnym sensie opowiadają historię Księżyca, który na bardzo wczesnym etapie formowania składał się w dużej mierze z wielkiego oceanu magmy. Gdy magma zaczęła stygnąć, utworzyły się w nim kryształy. Kawałki gęstszych minerałów płaszcza, takich jak oliwin i piroksen, opadły. Lżejsze minerały krystalizowały i wypływały na powierzchnię, tworząc skorupę Księżyca. Płaszcz księżycowy, o grubości około 1350 km, jest znacznie głębszy niż skorupa, której średnia grubość wynosi około 50 km. Skorupa księżycowa jest cieńsza po stronie zwróconej w kierunku Ziemi, a grubsza po stronie zwróconej w kierunku przeciwnym. Naukowcy wciąż pracują nad ustaleniem, dlaczego tak jest.

Jasne obszary Księżyca znane są jako wyżyny. Ciemne nazywane są morzami. To baseny uderzeniowe, które zostały wypełnione lawą między 4,2 a 1,2 miliarda lat temu. Jasne i ciemne obszary reprezentują skały o różnym składzie i wieku, które dostarczają dowodów na to, jak wczesna skorupa mogła krystalizować z księżycowego oceanu magmy. Kratery, które zachowały się przez miliardy lat, opowiadają historię bombardowania Księżyca i innych ciał w wewnętrznym Układzie Słonecznym.

Prawie cały Księżyc pokryty jest szarym, sproszkowanym pyłem i skalistymi odłamkami zwanymi regolitem księżycowym. Pod spodem znajduje się obszar popękanej skały macierzystej zwany megaregolitem. Ze względu na zbyt rzadką atmosferę, która mogłaby częściowo zapobiegać impaktom, w powierzchnię Księżyca nieustannie uderza deszcz asteroid, meteoroidów i komet. To właśnie dlatego przez miliardy lat powierzchnia została zmielona na gruz – od ogromnych głazów po pył.

Nowe badania

W latach 1969-1972 astronauci z pięciu misji Apollo umieścili na powierzchni Księżyca sejsmometry. W 2011 roku grupa badaczy NASA pod kierownictwem Renee Weber wykorzystała dane z sejsmometrów, aby uzyskać obraz tego, co znajduje się we wnętrzu Księżyca. Ich wyniki wskazywały wówczas na istnienie stałego jądra wewnętrznego i płynnego jądra zewnętrznego. Dane sugerowały również istnienie częściowo stopionej warstwy otaczającej księżycowe jądro. Te oceny były jednak niezbyt precyzyjne ze względu na fale sejsmiczne rozpraszane przez księżycowy regolit i brak instrumentów po drugiej stronie Księżyca.

Teraz zespół francuskich astronomów przedstawił dokładniejszy obraz. Ich wyniki zgadzają się częściowo z przewidywaniami badaczy NASA, chociaż zawierają także pewne niespodzianki. Arthur Briaud i jego koledzy z Francuskiej Agencji Kosmicznej CNES, Obserwatorium Wybrzeża Lazurowego i Obserwatorium Paryskiego ponownie przeanalizowali zestaw danych wykorzystanych przez Renee Weber i jej zespół. Uwzględnili również dane z innych źródeł, w tym z satelitów księżycowych GRAIL i eksperymentu Lunar Laser Ranging (LLR). Swoje odkrycia opublikowali 3 maja 2023 roku w czasopiśmie „Nature”.

GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory) była misją NASA dwóch bliźniaczych sond kosmicznych, które zostały wysłane na tę samą orbitę okołoksiężycową. Podstawowym naukowym celem misji było poznanie struktury Księżyca, badanie jego wnętrza od skorupy do jądra oraz stworzenie wysokiej jakości mapy pola grawitacyjnego Księżyca. Bliźniacze sondy weszły na bardzo niskie orbity księżycowe w sylwestra 2011 i Nowy Rok 2012. Działały do grudnia 2012 roku. Sondy przesyłały i odbierały dane między sobą a Ziemią, mierząc zmiany odległości między nimi. Pozwoliło to na bardzo szczegółowe pomiary zmian w polu grawitacyjnym Księżyca i wgląd w jego wewnętrzną strukturę.

Podczas misji Apollo na powierzchni Księżyca zainstalowanych zostało wiele zestawów instrumentów badawczych, wśród nich m.in. Lunar Laser Ranging (LLR), czyli retroreflektory kątowe, których celem było (i wciąż jest, bo cały czas działają) mierzenie odległości między Ziemią a punktami na powierzchni Księżyca. Badanie polega na tym, że naukowcy wystrzeliwują wiązki laserowe w przestrzeń kosmiczną i mierzą czas przelotu impulsów odbitych z powrotem na Ziemię przez jeden z pięciu retroreflektorów umieszczonych na Księżycu przez załogi Apollo lub retroreflektorów pozostawionych przez bezzałogowe lądowniki radzieckie Łunochod 1 i 2.

Zespół Arthura Briauda wykorzystał uzyskane w ten sposób dane do stworzenia zaawansowanego profilu Księżyca. Naukowcy następnie opracowali symulacje różnych typów jąder, aby zobaczyć, które z nich najbardziej przypominają znane obserwacje. Wybrano około 144 symulowane obrazy jądra Księżyca. Modele, które najbardziej pasują do tego, co już wiemy o Księżycu, wymagają istnienia tzw. strefy niskiej lepkości znajdującej się głęboko w płaszczu księżycowym. W tym obszarze gęstszy materiał przepływa w kierunku środka Księżyca, a lżejszy w górę. To z kolei najlepiej wyjaśnia obecność minerałów takich, jak ilmenit (tlenek żelaza i tytanu, inaczej: żelaziak tytanowy) w niektórych starych wulkanicznych obszarach powierzchni Księżyca. Kiedy większa część płaszcza zakrzepła w mniej lub bardziej stałą skałę, migracja ilmenitu na powierzchnię ustała.

Implikacje tych odkryć są ważne. Model wewnętrznego jądra opracowany przez naukowców pasuje do tego, co wiemy o ewolucji pola magnetycznego Księżyca. Badania skał księżycowych pokazują, że między 4,25 a 3,56 miliarda lat temu Księżyc musiał mieć silne dynamo jądra napędzające globalne pole magnetyczne, podobne do ziemskiego. Następnie pole księżycowe osłabło w ciągu następnych 400 milionów lat do siły niewiele większej niż pole wytwarzane przez kuchenkę mikrofalową.

Wyniki badań wskazują na model zwany hipotezą ogona akrecyjnego, który mógł się stać źródłem irydu, platyny, złota, kobaltu i niklu w płaszczu księżycowym. Przeczy równocześnie wcześniejszej hipotezie, że źródłem występowania tych pierwiastków było gigantyczne bombardowanie przez gruz kosmiczny pozostały po okresie tworzenia się Układu Słonecznego, którego Księżyc (podobnie jak Ziemia) doświadczał około 3,9 miliarda lat temu. Ten scenariusz jest również zgodny z chronologią ewolucji orbitalnej planet zewnętrznych, ponieważ hipotezascenariusz ogona akrecyjnego nie wymaga, aby niestabilność gigantycznych planet nastąpiła długo po usunięciu dysku protoplanetarnego.

Opracowano na podstawie:
What Is the Moon Made Of?
Scientists get a new look inside the Moon