Badania wykorzystujące dane z misji NASA ARTEMIS sugerują, że księżycowe zawirowania, takie jak księżycowy wir 'Reiner Gamma' zobrazowany przez NASA Lunar Reconnaissance Orbiter, mogą być wynikiem interakcji wiatru słonecznego z odosobnionymi obszarami pola magnetycznego Księżyca. Źródło: NASA LRO WAC

Misja ARTEMIS rozwiązuje zagadkę pochodzenia księżycowych „oparzeń słonecznych”. Każdy obiekt, planeta czy osoba podróżująca w Kosmosie, musi walczyć z niszczącym promieniowaniem Słońca – a Księżyc ma blizny, które to udowadniają. Badania wykorzystujące dane z misji NASA ARTEMIS – skrót od Acceleration, Reconnection, Turbulence and Electrodynamics of the Moon’s Interaction with the Sun – sugerują, że wiatr słoneczny oddziaływuje z miejscowym polem magnetycznym skorupy Księżyca, nadając Księżycowi charakterystyczny wzór ciemniejszych i jaśniejszych wirów. ARTEMIS wykorzystuje dwa z pięciu satelitów konstelacji NASA Heliophysics (THEMIS), które zostały uruchomione w 2007 roku.

Słońce uwalnia ciągły strumień naładowanych cząstek i promieniowania, które to nazywamy wiatrem słonecznym. Przelatuje on nad planetami, księżycami i innymi ciałami w Układzie Słonecznym, wypełniając bańkę kosmosu heliosferą, która rozciąga się daleko poza orbitę Plutona.

Tutaj, na Ziemi, jesteśmy w dużej mierze chronieni przed szkodliwymi skutkami wiatru słonecznego. Ponieważ wiatr słoneczny jest namagnesowany, naturalne pole magnetyczne Ziemi odbija cząsteczki wiatru słonecznego, tak że tylko niewielka ich część dociera do atmosfery planety.

W przeciwieństwie do Ziemi, Księżyc nie ma globalnego pola magnetycznego. Jednak namagnesowane skały w pobliżu powierzchni Księżyca tworzą małe, lokalne punkty pola magnetycznego, które rozciągają się od setek metrów do setek kilometrów. Jest to rodzaj informacji, którą należy dobrze zrozumieć, aby lepiej chronić astronautów na Księżycu przed skutkami promieniowania. Pęcherzyki pola magnetycznego nie są wystarczająco silne, aby chronić ludzi przed ciężkim środowiskiem promieniowania, ale badanie ich struktury może pomóc w opracowaniu technik ochrony naszych przyszłych odkrywców.

„Pola magnetyczne w niektórych regionach działają lokalnie jako magnetyczny filtr przeciwsłoneczny”

– powiedział Andrew Poppe, naukowiec z University of California w Berkeley, który bada pola magnetyczne skorupy Księżyca, wykorzystując dane z misji NASA ARTEMIS wraz z symulacjami środowiska magnetycznego Księżyca.
Kombinacja obserwacji i symulacji komputerowych daje nowe wskazówki, w jaki sposób Księżyc uzyskał tajemnicze „tatuaże” – wirujące jaśniejsze i ciemniejsze wzory znalezione w ponad stu miejscach na powierzchni Księżyca. Źródło: NASA LRO WAC

Te małe pęcherzyki magnetycznego „filtru przeciwsłonecznego” mogą również odbijać cząstki wiatru słonecznego – ale w znacznie mniejszej skali niż ziemskie pole magnetyczne. Chociaż nie są wystarczające, aby chronić astronautów samodzielnie, mają zasadniczy wpływ na wygląd Księżyca. Pod tymi miniaturowymi parasolami magnetycznymi materiał, który tworzy powierzchnię Księżyca, zwany regolitem, jest osłonięty przed cząstkami Słońca. Gdy te cząstki zmierzają w kierunku Księżyca, są odchylane do obszarów tuż wokół pęcherzyków magnetycznych, gdzie reakcje chemiczne z regolitem nadają powierzchni ciemniejszą barwę. Stwarza to charakterystyczne wiry ciemniejszego i jaśniejszego materiału, które są widoczne nawet z Ziemi.

„Te wzory, zwane ‚księżycowymi wirami’, wydają się prawie namalowane na powierzchni Księżyca. Są wyjątkowe, widzieliśmy je tylko na Księżycu, a ich pochodzenie pozostawało tajemnicą od czasu ich odkrycia.”

– powiedział John Keller z NASA Goddard Space Flight Center. Keller jest naukowcem pracującym nad misją NASA Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), która dokonała obserwacji.

Teorie wirów księżycowych

Księżycowe wiry mogą mieć kilkadziesiąt mil szerokości i pojawiać się w grupach lub jako pojedyncze elementy. Poprzednie obserwacje dały dwie istotne wskazówki dotyczące ich powstawania: Po pierwsze, pojawiają się tam, gdzie fragmenty pola magnetycznego są osadzone w skorupie księżycowej (chociaż nie każde „skamieniałe” pole magnetyczne na księżycu ma wir księżycowy). Po drugie, jasne obszary zawirowań wydają się być mniej zwietrzałe niż ich otoczenie. Przestrzeń kosmiczna jest trudna; wiele rzeczy może spowodować, że materiał wystawiony na działanie kosmosu zmieni się chemicznie i pociemnieje wraz z upływem czasu, uderzania mikroskopijnych meteorytów i skutków wiatru słonecznego.

Te wskazówki doprowadziły do ​​trzech wiodących teorii na temat powstawania zawirowań. Wiry i pola magnetyczne mogły powstać z pióropusza materiału wyrzuconego przez uderzenia komety. Alternatywnie, gdy drobne cząstki pyłu zostaną wyciągnięte przez uderzenia mikrometeorytu, istniejące pole magnetyczne ponad wirami sortuje je zgodnie z ich podatnością na magnetyzm, tworząc jasne i ciemne wzory o różnym składzie. Wreszcie, ponieważ cząstki w wietrze słonecznym (elektrony i jony) są naładowane elektrycznie, reagują na siły magnetyczne. Być może pole magnetyczne chroni powierzchnię przed warunkami atmosferycznymi wiatru słonecznego.

W ramach nowych badań zespoły naukowców stworzyły modele komputerowe, które zapewniają nowy wgląd w to, jak hipoteza tarczy magnetycznej może działać. Ujawniają one, że pole magnetyczne może wytworzyć silne pole elektryczne, które może odpychać i spowalniać cząsteczki wiatru słonecznego. Zmniejszy to wpływ wietrzenia wiatru słonecznego, pozostawiając obszary jaśniejsze nad obszarami chronionymi. Nowe obserwacje z sondy LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) wydają się wspierać hipotezy tarczy magnetycznej, ale nie wykluczają innych pomysłów. Dopóki nie wykonamy pomiarów na powierzchni Księżyca, możemy nie uzyskać ostatecznej odpowiedzi, ale nowe obserwacje, które analizują zawirowania w ultrafiolecie i świetle dalekiego ultrafioletu, są zgodne z wcześniejszymi obserwacjami, które wskazują, że wiry są mniej zwietrzałe niż ich otoczenie.

Sukcesy misji ARTEMIS

Sonda kosmiczna ARTEMIS-P1 jako pierwsze urządzenie tego typu weszła na orbitę w punkcie L2 układu Ziemia-Księżyc, gdzie siły oddziaływania grawitacyjnego Księżyca, Ziemi i Słońca istnieją w chwiejnej równowadze, dzięki czemu raz wprowadzony tam obiekt może w nim przebywać przez długi czas, wykonując tylko niewielkie korekty swojej pozycji.

Misja ARTEMIS w pewnym sensie stanowi przedłużenie misji satelitów konstelacji THEMIS, ponieważ do jej realizacji wykorzystano już istniejącą parę urządzeń znajdującą się na orbicie od 2007 roku, które zrealizowały dwuletni program badawczy, polegający na obserwacji ziemskiej magnetosfery.

Skierowanie dwóch satelitów (P1 oraz P2) na nowe pozycje w punktach L1 oraz L2 układu Ziemia-Księżyc po raz pierwszy umożliwiło obserwację ziemskiego pola magnetycznego w tej odległości od Ziemi – w szczególności tzw. ziemskiego ogona magnetycznego, a także wiatru słonecznego i środowiska kosmicznego w pobliżu Księżyca. Umożliwiło także dokładniejsze badania zjawisk elektrostatycznych blisko księżycowego gruntu i księżycowej plazmy.

Fizyk Jasper Halekas z Uniwersytetu Iowa i badacz misji ARTEMIS, wygłosił 14 grudnia 2016 roku na forum American Geophysical Union w San Francisco wykład pt. „Kinetic Interactions Between the Solar Wind and Lunar Magnetic Fields”. Już wtedy naukowcy przypuszczali, że miniaturowe fale uderzeniowe na Księżycu są generowane przez zderzenia protonów wiatru słonecznego pędzących z ponaddźwiękową prędkością z „bąbelkami” pola magnetycznego Księżyca.

Pole magnetyczne Księżyca po raz pierwszy zostało zmierzone przez astronautów misji Apollo 12 w 1969 roku. Ich przenośne magnetometry rejestrowały intensywność pola magnetycznego. Wyniki pomiarów wykazywały zmienność uzależnioną od miejsca dokonywania pomiarów. Jednak najwyższa zmierzona wartość wynosiła zaledwie 1 procent siły ziemskiego pola magnetycznego.

Pomimo niewielkiej siły pola, udało się dokonać 40 wartościowych pomiarów fal uderzeniowych przez misję ARTEMIS, a od czasu publikacji Halekasa nawet więcej. Zrozumienie natury tworzenia tych fal uderzeniowych jest istotne, bo takie zjawiska mogą występować w innych miejscach Układu Słonecznego. Na przykład, lokalne fale uderzeniowe mogą występować jako wiatr słoneczny „owiewający” asteroidy, co może mieć znaczenie w sytuacji lądowania na nich astronautów.