Луна всегда повернута к Земле одной стороной, но теперь ученые доказали, что разница между ее видимой и обратной сторонами куда глубже, чем кажется. По новым данным, под поверхностью спутника наблюдается температурная асимметрия.
Карта, показывающая аномалии в гравитационном поле Луны, составленная на основе данных миссии NASA GRAIL / © NASA, JPL-Caltech, MIT, GSFC
С момента первых наблюдений за Луной астрономы заметили, что ее видимая сторона отличается от обратной. Например, на видимой больше темных участков — лунных «морей» — равнин, сложенных застывшими слоями базальтовой лавы, которая три-четыре миллиарда лет назад затопила низменности. На обратной больше кратеров и кольцевых горных хребтов.
Такой контраст выявили еще в XX веке, когда первые зонды стали фотографировать Луну с орбиты. Ученые десятилетиями спорили, отражают эти различия лишь поверхностные процессы или указывают на глубинные аномалии.
В 2011 году NASA запустило лунную миссию GRAIL — два зонда-близнеца Ebb и Flow. Аппараты с рекордной точностью измеряли изменения расстояния между собой, чтобы составить детальную карту гравитационного поля спутника.
Ebb и Flow посылали и принимали радиосигналы в Ka-диапазоне и измеряли, как меняется время прохождения этих сигналов между станциями. Такие изменения могут быть настолько малыми, что соответствуют долям микрометра. Когда зонды пролетали над участками Луны с более или менее плотными веществами, гравитация там чуть сильнее либо чуть слабее притягивала спутники. Это вызывает микроскопические ускорения или замедления и, соответственно, крошечные изменения взаимного расстояния аппаратов.
Зарегистрировав мельчайшие «колебания» в дистанции, специалисты построили карту лунного гравитационного поля. Полученные данные помогли исследователям понять, что Луна испытывает приливную деформацию под действием гравитации Земли, которая «вытягивает» естественный спутник вдоль линии Земля — Луна (воображаемая прямая, соединяющая центры масс Земли и Луны), создавая переменные выпуклости — «приливные горбы».
Команда американских инженеров и астрономов под руководством Райана Парка (Ryan Park) из Лаборатории реактивного движения NASA проанализировала данные GRAIL и обнаружила, что Луна деформируется под воздействием земной гравитации сильнее, чем показывали модели.
Ученые рассчитали: если бы естественный спутник внутри был однородным, его недра состояли бы из одного и того же материала по всей глубине, без каких-либо различий между видимой и обратной сторонами, то под действиям земной гравитации он деформировался бы («сжимался» и «растягивался») на строго определенную величину. Но реальные замеры показали, что Луна деформируется на 72 процента сильнее, чем должно быть при однородных недрах.
Чтобы объяснить аномалию, исследователи рассмотрели несколько гипотез. Первая — разный химический состав двух сторон Луны. Но моделирование показало, что наиболее точное совпадение с данными дает сценарий, где видимая сторона спутника нагрета сильнее обратной. Это создает разницу в плотности и вязкости пород, делая видимую часть более «податливой» к гравитационному воздействию Земли.
Эта температурная асимметрия объясняет, почему Луна так по-разному реагирует на земное притяжение. Более «теплый» участок — видимая сторона — пластичнее, мягче и легче деформируется, чем более «холодный» — обратная сторона. Значит, первый участок чувствительнее к внешним силам.
Температурный дисбаланс может быть связан с историей вулканической активности. На видимой стороне сосредоточены обширные базальтовые равнины, образовавшиеся при извержениях несколько миллиардов лет назад. Кроме того, там выше концентрация радиоактивных элементов — урана и тория, они расположены близко к поверхности. При радиоактивном распаде изотопов урана и тория выделяется тепловая энергия.
Но почему эти элементы распределены неравномерно? Одна из теорий гласит, что после гигантского столкновения, породившего Луну, ее поверхность была раскаленной и жидкой. Обратная сторона быстрее остывала, из-за этого тяжелые элементы «стекали» к еще горячей видимой стороне, где кора оставалась мягче.
Позже, когда обратная сторона полностью затвердела, эти элементы оказались «заперты» под корой на видимой части.
Команда NASA продолжит исследования внутреннего строения Луны. Один из ключевых инструментов в этом деле — лунотрясения.
Ученые собираются анализировать сейсмические волны, чтобы понять, какие изменения происходят глубоко под лунной поверхностью. Для этого NASA планирует в 2026 году запустить аппарат Farside Seismic Suite. Он разместится на обратной стороне спутника нашей планеты и будет фиксировать колебания в горных породах.
Научная работа опубликована в журнале Nature.
