شواهد تازه وجود هستهٔ داخلی جامد و آهنی در ماه

تحلیل جدیدی از اندازه‌گیری‌های قمری آنچه زلزله‌شناسی و بازبینی داده‌های قدیمی به آن اشاره کرده بودند را تأیید می‌کند: ماه دارای هسته‌ای درونی جامد و غنی از آهن است که زیر یک پوستهٔ بیرونی مایع قرار گرفته است. این نتیجه تصویر ما از چگونگی شکل‌گیری و تکامل ماه را دقیق‌تر می‌کند و در توضیح تاریخچهٔ اولیه میدان مغناطیسی قمری نقش مهمی دارد.

چرا کاوش درون ماه مهم است

درک ساختار داخلی ماه بیش از یک کنجکاوی علمی است. توزیع لایه‌های جامد و مایع مسیر تکامل حرارتی، فعالیت‌های آتشفشانی و رفتار میدان مغناطیسی را تعیین می‌کند. میدان مغناطیسی‌ای که ماه میلیاردها سال پیش داشته، روی چگونگی تغییر سطح قمری بر اثر باد خورشیدی و نحوهٔ نگهداری یا از دست رفتن عناصر فرّار تأثیر می‌گذارد. دانستن اینکه قلب ماه جامد است یا مذاب، به بازسازی دوران آشفتهٔ آغازین منظومهٔ شمسی و زمان‌بندی بمباران‌های قمری کمک می‌کند.

چگونه دانشمندان به این حکم جدید رسیدند

امواج زلزله‌ای بهترین ابزار برای نگاه به ساختار داخلی سیارات و قمرها هستند. روی زمین، زمین‌لرزه‌ها به زمین‌شناسان امکان می‌دهند تا لایه‌های هسته و گوشته را ترسیم کنند. برای ماه، لرزه‌نگارهای دوران آپولو داده‌های ارزشمند اما محدود تولید کردند. این ابزارها نشانه‌هایی از یک هستهٔ بیرونی سیال نشان دادند، اما وضوح داده‌ها دو سناریو را ممکن می‌ساخت: هسته‌ای کاملاً مذاب یا هسته‌ای لایه‌ای با یک کرهٔ درونی جامد و پوستهٔ سیال پیرامون آن.

برای رفع این ابهام، گروهی به رهبری اخترشناس آرتور بریاود در مرکز ملی پژوهش‌های علمی فرانسه مجموعه‌ای از اندازه‌گیری‌های مستقل را ترکیب کردند به‌جای اینکه تنها به زلزله‌نگارهای آپولو تکیه کنند. آن‌ها داده‌هایی از ردیابی فضاپیماها، آزمایش‌های تعیین فاصله با لیزر قمری (lunar laser-ranging)، اندازه‌گیری‌های تغییر شکل ناشی از جزر و مد که زمین بر ماه تحمیل می‌کند، و نوسانات در چرخش و فاصلهٔ ماه را جمع‌آوری کردند. این مشاهده‌پذیرها توزیع جرم و خواص ماده را محدود می‌کنند.

با در دست داشتن این مجموعهٔ مشاهداتی، پژوهشگران مدل‌های فیزیکی مبتنی بر قوانین ماده و گرانش را برای ماه با ساختارهای هستهٔ مختلف ساختند. هر مدل پیش‌بینی‌هایی دربارهٔ چگونگی تاب‌خوردن (wobble)، تغییر شکل و پاسخ به نیروهای کشندی تولید می‌کرد؛ تیم این پیش‌بینی‌ها را با مشاهدات مقایسه کرد تا مشخص شود کدام ساختار داخلی بیشترین همخوانی با واقعیت را دارد.

آنچه یافتند: هستهٔ کوچک و آهنی

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

راز هسته ماه: پایان دهه ها جدل درباره ساختار داخلی ماه

اسرار درون ماه: گره‌گشایی از جدال چندین دهه‌ای ساختار داخلی ماه همواره توجه دانشمندان و علاقه‌مندان...

مدل‌هایی که بیشترین تطابق را با داده‌های مشاهده‌ای داشتند، شامل گوشته‌ای همرفتی با روندهای جابه‌جایی فعال و هسته‌ای دو بخشی بودند: یک هستهٔ بیرونی مایع و یک هستهٔ درونی جامد. اعداد بهترین برازش نشان می‌دهند که شعاع هستهٔ بیرونی حدود 362 کیلومتر (225 مایل) و شعاع هستهٔ درونی نزدیک به 258 کیلومتر (160 مایل) است؛ این معادل حدود 15 درصد از شعاع کل ماه است. چگالی استنتاج‌شدهٔ هستهٔ داخلی در حدود 7,822 کیلوگرم بر متر مکعب است که بسیار نزدیک به چگالی آهن خالص است و این نشان‌دهندهٔ غنای آهنی هستهٔ داخلی است.

این نتایج تأییدکنندهٔ کار پیشینِ سال 2011 به رهبری رنی وبر از مرکز فضایی مارشال ناسا است؛ او با بازتحلیل رکوردهای زلزله‌شناسی آپولو با روش‌های نوتر گزارش داد هستهٔ جامدی با شعاع حدود 240 کیلومتر و چگالی نزدیک به 8،000 کیلوگرم بر متر مکعب وجود دارد. بریاود و همکارانش این تطابق را به‌عنوان تأییدی مستقل می‌دانند: روش‌ها و مجموعه‌داده‌های مختلف به ساختار هسته‌ای مینیاتوری مشابهِ زمین اشاره می‌کنند.

چرا جابه‌جایی گوشته اهمیت دارد

یکی دیگر از پیامدهای مدل‌سازی شواهدی از جابه‌جایی عمیق گوشته درون ماه است. «اورترن» یا جابه‌جایی گوشته به فرایند فروریزش مواد چگال‌تر به سمت مرکز و صعود مواد سبک‌تر اطلاق می‌شود. روی زمین، همرفت گوشته محرک صفحه‌تکتونیک و آتشفشان‌هاست؛ در ماه، این اورترن می‌تواند توضیحی برای نابهنجاری‌های شیمیایی در برخی مناطق آتشفشانی باشد، مانند غلظت‌های بالا از عناصر ناسازگار که به سطح آورده شده‌اند. گروه بریاود استدلال می‌کند که جابه‌جایی گوشته نقشی کلیدی در تکامل قمری داشته است، به‌ویژه در میلیارد سال نخست پس از شکل‌گیری که بمباران شدید و تمایز داخلی فعال‌تر بودند.

به لحاظ زمین‌شناسی قمری (planetary geology) و توپولوژی داخلی، اورترن عمیق می‌تواند چرخهٔ گرمایی داخلی را تغییر دهد، مسیرهای ذوب موضعی را شکل دهد و مناطق تولید سنگ‌های آذرین را تحت تأثیر قرار دهد. تحلیل‌های ژئوشیمیایی از مواد بازالتی و آنالیزهای طیفی سطحی با استفاده از ماموریت‌های ماهواره‌ای نشان‌دهندهٔ توزیع نامتوازن عناصر سنگین و فرّار است که با سناریوی اورترن همخوانی دارد.

پیامدها برای میدان مغناطیسی و تاریخچهٔ ماه

ما می‌دانیم ماه زمانی میدان مغناطیسی قابل‌توجهی تولید می‌کرد، اما این میدان حدود 3.2 میلیارد سال پیش دچار افول شد. دیناموی مغناطیسی که توسط جریان‌های سیال در هستهٔ فلزی ایجاد می‌شود، توضیح استاندارد برای چنین میدان‌هایی است. اگر ماه دارای هستهٔ بیرونی مایع در اطراف هستهٔ داخلی جامد باشد، این هندسه ساختاری پتانسیل ایجاد دینامو در مراحل اولیهٔ ماه را پشتیبانی می‌کند و به توضیح این مسئله کمک می‌کند که چرا با سرد شدن داخلی و کاهش همرفت، میدان مغناطیسی رو به زوال نهاد.

مشخص کردن اندازه و ترکیب هسته محدودیت‌های مهمی بر سناریوهای قابل قبول برای تاریخچهٔ دینامو ایجاد می‌کند. برای نمونه، چگالی و شعاع هستهٔ داخلی اطلاعاتی دربارهٔ ترکیب شیمیایی (نسبت آهن به عناصر سبک‌تر مانند گوگرد یا اکسیژن) و همچنین میزان گرمای باقی‌مانده و انتشار گرما طی زمان می‌دهد؛ این عوامل همه در مدل‌های دینامو و طول عمر میدان دخیل‌اند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

راز مغناطیس سنگ های ماه: تاثیر برخوردهای عظیم و دیناموی باستانی

دهه‌هاست که دانشمندان در مورد نواحی غیرعادی و قوی مغناطیسی در برخی سنگ‌های ماه، به‌ویژه در...

علاوه بر این، این یافته‌ها مدل‌های بودجهٔ گرمایی ماه را پالایش می‌کنند و نشان می‌دهند که چه مدت حرارت باقیمانده و عناصر رادیواکتیو قادر به حفظ فعالیت داخلی بوده‌اند. چنین مدل‌هایی در سناریوهای گسترده‌تر دربارهٔ نحوهٔ خنک‌شدن و تکامل اجرام سنگی در مرحله‌های اولیهٔ منظومهٔ شمسی کاربرد دارند و برای مطالعات تطبیقی بین زمین و قمرها و سیاره‌های صخره‌ای بسیار ارزشمندند.

دیدگاه کارشناسی

دکتر النا مورتی، زمین‌فیزیک‌دان سیاره‌ای (شخصیت فرضی) که در زمینهٔ ساختار درونی اجرام کوچک کار می‌کند، در این باره می‌گوید: «این همگراییِ مجموعه‌داده‌های مستقل بسیار قانع‌کننده است. نشان می‌دهد ترکیب اندازه‌گیری‌های تعیین فاصله با لیزر، ردیابی فضاپیما و مدل‌سازی فیزیکی دقیق می‌تواند ساختارهایی را آشکار کند که شبکه‌های زلزله‌شناسی قدیمی به‌تنهایی قادر به تفکیک آن‌ها نبودند. هستهٔ جامد نسبتاً کوچک ماه پیامدهای بزرگی برای زمان و نحوهٔ خاموشی دیناموی آن دارد.»

گام بعدی: ماموریت‌ها، اندازه‌گیری‌ها و بازگشت انسان

آزمون نهایی این مدل‌ها اندازه‌گیری‌های زلزله‌ای جدید روی سطح ماه خواهد بود. فرودگران رباتیک و ماموریت‌های سرنشین‌دار آینده می‌توانند لرزه‌نگارهای پیشرفته با حساسیت بالاتر و پوشش جهانی بهتر نسبت به آپولو مستقر کنند، که به‌صورت مستقیم امواج بازتابیده از هسته را اندازه‌گیری کرده و شعاع، چگالی و حالت هسته را با دقت بسیار بالاتری محدود خواهند کرد. چین، ناسا و دیگر آژانس‌های فضایی فعالیت‌های تجدیدشده‌ای در ماه برنامه‌ریزی کرده‌اند؛ ایستگاه‌های زمین‌فیزیکی هدفمند می‌توانند ابهامات باقیمانده را در عرض چند سال حل‌وفصل کنند به‌جای آنکه ده‌ها سال طول بکشد.

در همین حال، کار منتشرشده در نشریهٔ Nature روایت تکاملی ماه را محکم‌تر می‌کند. این یافته ماه را کمتر به‌عنوان یک بازماندهٔ منزوی و بیشتر به‌عنوان خویشاوند نزدیک زمین نشان می‌دهد — معماری داخلی مشابه اما تاریخ‌های سطحی متفاوت. برای پژوهشگرانی که درصدد بازسازی فصل‌های اولیهٔ منظومهٔ شمسی هستند، این شباهت محدودیت‌های قوی‌ای به همراه دارد و به روشن کردن فرایندهای بنیادی مانند تمایز داخلی، جابه‌جایی مواد و از دست رفتن گرما کمک می‌کند.

علاوه بر اثرات علمی، این نتایج برای آیندهٔ اکتشاف انسانی و بهره‌برداری علمی از ماه نیز اهمیت دارند: آگاهی از ساختار داخلی و تاریخچهٔ حرارتی ماه به طراحی پایدار زیرساخت‌های قمری، انتخاب مکان‌های مناسب برای ایستگاه‌های دائم و درک پایداری منابع فرّار (مانند یخ در قطب‌ها) کمک می‌کند. در نتیجه، مطالعهٔ ساختار داخلی ماه نه تنها مسئلهٔ زمین‌شناسی، بلکه بخشی از برنامه‌ریزی بلندمدت اکتشافات فضایی و توسعهٔ زیست‌بوم‌های فضایی آینده است.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

کشف شگفت انگیز یک ستون شبحی گوشته زیر شرق عمان

یک مطالعه بین‌المللی پیشرو شواهد قاطعی از وجود یک ستون گوشته موسوم به «شبح»، برخاسته از...