В 2013 году беспилотная лунная миссия «Чанъэ-3» приземлилась в северной части бассейна Имбриум, одного из самых заметных заполненных лавой ударных бассейнов, видимых с Земли.
Это было прекрасное место для посадки, сказал Брэдли Л. Джоллифф, доктор философии, профессор наук о Земле и планетах Скотта Рудольфа в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, который является участником образовательного сотрудничества, которое помогло проанализировать Chang' данные миссии e-3. Посадочный модуль приземлился на гладкой базальтовой равнине рядом с относительно свежим ударным кратером (теперь официально названным кратером Цзы Вэй), который удобно выкопал коренную породу из-под реголита для изучения марсоходом Юту.
После завершения программы «Аполлон» американские исследования Луны проводились в основном с орбиты. Но орбитальные датчики в основном обнаруживают реголит (отшлифованный поверхностный слой фрагментированной породы), покрывающий Луну, а реголит, как правило, смешанный и трудный для интерпретации..
Поскольку "Чанъэ-3" приземлился на относительно молодой поток лавы, слой реголита был тонким и не смешивался с обломками из других мест. Таким образом, он очень напоминал состав нижележащей вулканической породы. Эта характеристика сделала место посадки идеальным местом для сравнения анализа на месте с информацией о составе, полученной с орбитальных спутников.
«Теперь у нас есть «наземная правда» для нашего дистанционного зондирования, хорошо охарактеризованный образец в ключевом месте», - сказал Джоллифф. «Мы видим тот же сигнал с орбиты в других местах, поэтому теперь мы знаем, что в этих других местах, вероятно, есть похожие базальты».
Базальты на месте посадки «Чанъэ-3» также оказались непохожими на те, что были возвращены миссиями по возврату образцов «Аполлон» и «Луна».
«Разнообразие говорит нам о том, что верхняя мантия Луны гораздо менее однородна по составу, чем земная», - сказал Джоллифф. «И сопоставив химический состав с возрастом, мы можем увидеть, как вулканизм Луны менялся с течением времени».
В сборе и анализе этих данных, опубликованных в журнале Nature Communications 22 декабря, участвовали два партнерства. Ученые из ряда китайских учреждений, участвовавших в миссии «Чанъэ-3», сформировали одно партнерство; другой был давним образовательным партнерством между Шаньдунским университетом в Вейхае, Китай, и Вашингтонским университетом в Сент-Луисе.
Минералогическая тайна
Луна, которая, как считается, была создана в результате столкновения тела размером с Марс с Землей, изначально была расплавленным или частично расплавленным телом, которое по мере охлаждения разделялось на кору, мантию и ядро. Но накопление тепла от распада радиоактивных элементов в недрах затем снова расплавило части мантии, которые начали извергаться на поверхность примерно через 500 миллионов лет после образования Луны, скапливаясь в ударных кратерах и котловинах, образуя моря, большую часть которые находятся на стороне Луны, обращенной к Земле.
Американские миссии «Аполлон» (1969-1972) и «Русская Луна» (1970-1976) взяли пробы базальтов периода пика вулканизма, произошедшего между 3 и 4 миллиардами лет назад. Но в бассейне Имбриума, где приземлился Чанъэ-3, находятся некоторые из более молодых потоков - возрастом 3 миллиарда лет или чуть меньше.
Базальты, возвращенные миссиями «Аполлон» и «Луна», имели либо высокое содержание титана, либо низкое или очень низкое содержание титана; промежуточные значения отсутствуют. Но измерения, проведенные с помощью рентгеновского спектрометра с альфа-частицами и гиперспектральной камеры ближнего инфракрасного диапазона на борту марсохода Юйту, показали, что базальты на месте посадки Чанъэ-3 имеют промежуточное содержание титана, а также богаты железом, сказал Цзунчэн. Линг, доктор философии, адъюнкт-профессор Школы космических наук и физики Шаньдунского университета в Вэйхае и первый автор статьи.
Титан особенно полезен для картирования и понимания вулканизма на Луне, потому что его концентрация сильно различается: от менее 1 процента по весу TiO2 до более 15 процентов. Эта вариация отражает существенные различия в мантийных источниках, возникшие со времени, когда океан ранней магмы впервые затвердел.
Минералы кристаллизуются из базальтовой магмы в определенном порядке, объяснил Алиан Ван, доктор философии, профессор-исследователь в области наук о Земле и планетах в области искусств и наук Вашингтонского университета. Как правило, первыми кристаллизуются два минерала, богатых магнием и железом (оливин и пироксен), которые немного плотнее магмы и опускаются сквозь нее, затем минерал (плагиоклазовый полевой шпат), который менее плотный и плавает. на поверхность. Этот процесс разделения путем кристаллизации привел к образованию мантии и коры Луны по мере охлаждения магматического океана.
Титан превратился в минерал под названием ильменит (FeTiO3), который обычно не кристаллизуется до очень поздней стадии, когда остается, возможно, только 5 процентов исходного расплава. Когда он, наконец, кристаллизовался, богатый ильменитом материал, который также был плотным, погрузился в мантию, образовав области обогащения Ti.
«Изменчивое распределение титана на лунной поверхности предполагает, что внутренняя часть Луны не была гомогенизирована», - сказал Джоллифф. «Мы все еще пытаемся выяснить, как именно это произошло. Возможно, на стадии магматического океана произошли большие удары, которые нарушили формирование мантии».
Еще один ключ к разгадке прошлого Луны
В этой истории есть еще один поворот, который также подчеркивает важность проверки орбитальных данных на соответствие наземным. Данные дистанционного зондирования места посадки «Чанъэ-3» показали, что оно богато оливином и титаном.
Это не имеет смысла, сказал Ван, потому что оливин обычно кристаллизуется рано, а богатый титаном ильменит кристаллизуется поздно. Немного странно найти камень, который богат обоими.
Но Юту разгадал и эту загадку. В оливине кремний находится в паре либо с магнием, либо с железом, но соотношение этих двух элементов весьма различно в разных формах минерала. Ранний оливин должен быть богат магнием, в то время как оливин, обнаруженный Юту, имеет состав от промежуточного по железу до богатого железом.
«Это имеет больше смысла, - сказал Джоллифф, - потому что обогащенный железом оливин и ильменит чаще всего встречаются вместе».
«Вам все еще нужно объяснить, как вы получаете породу, богатую оливином и ильменитом. Один из способов сделать это - смешать или скрестить два разных источника», - сказал он.
Ученые делают вывод, что на поздних этапах кристаллизации магмы в океане богатые железом пироксен и ильменит, которые образовались поздно и на границе земной коры и мантии, могли начать опускаться, а рано образовавшийся богатый магнием оливин мог начали подниматься. Когда это произошло, два минерала могли смешаться и образовать гибриды.
«Учитывая эти данные, это наша интерпретация», - сказал Джоллифф.
В любом случае ясно, что эти недавно охарактеризованные базальты показывают более разнообразную Луну, чем та, которая появилась в результате исследований, последовавших за миссиями «Аполлон» и «Луна». По словам Джоллиффа, дистанционное зондирование предполагает, что на Луне есть еще более молодые и еще более разнообразные базальты, ожидающие исследования будущих роботов или людей-исследователей.