Як знайти льодовики на Місяці? Допоможуть місячні землетруси!

Поверхня Місяця є безжальною та суворою, проте під її пиловим ландшафтом можуть ховатися значні запаси водяного льоду. Виявлення таких запасів не є простим завданням, оскільки більшість можливих місць зберігання льоду не помітні на зображеннях. Для їх виявлення потрібні спеціалізовані картографічні методи. Тому вчені розробили новий підхід, використовуючи сейсмічні хвилі від місячних землетрусів як маяки для локалізації льоду.

Карта можливих запасів води на Місяці в районі південного полюса. Джерело: місія Chandrayaan. Автор: ISRO.

Як Місяць отримав воду?

Походження водяних запасів на Місяці залишається загадкою, хоча є кілька припущень. Найбільш ймовірні місця, де можуть зберігатися значні обсяги води, знаходяться на полюсах або в інших регіонах, куди вода могла бути принесена кометами чи астероїдами. Також можливі запаси у зонах, де вулканізм міг перенести воду з надр Місяця на поверхню, або ж завдяки сонячному вітру та метеоритним дощам. Ці явища можуть викликати хімічні реакції, які звільняють молекули води. Дослідження зразків, привезених під час місій Аполлон, а також місій, таких як китайський зонд Chang'e 5, проект SOFIA та детальні зображення, отримані вченими Chandrayaan, підтверджують наявність води. Швидше за все, більшість запропонованих запасів води накопичувалася протягом мільйонів або мільярдів років, а не внаслідок одного великого удару комети чи астероїда.

Ці зображення показують дуже молодий місячний кратер на стороні Місяця, що звернена від Землі, вивчену NASA за допомогою Moon Mineralogy Mapper на космічному апараті Chandrayaan-1. Зліва зображено яскравість на коротших інфрачервоних довжинах хвиль. Праворуч показано розподіл мінералів, багатих на воду (світло-синій), навколо невеликого кратера. Обидва матеріали, багаті водою та гідроксилом, були знайдені у зв'язку з матеріалом, що викидався з кратера. Автори: ISRO/NASA/JPL-Caltech/USGS/Brown Univ.

Майбутнє використання місячного льоду

За словами Ніколаса Шмерра з Університету Меріленда, місії Artemis та інші будуть покладатися на запаси місячного льоду, незалежно від їх походження. "Важливо виявити будь-які матеріали на Місяці, які астронавти зможуть використовувати під час перебування там," - зазначив Шмерр, який є співавтором дослідження. "Оскільки вони будуть обмежені ресурсами, які привезли з Землі, все, що вони знайдуть на Місяці, допоможе їм жити на місці, особливо під час тривалих місій чи баз."

Місячний лід також відкриває нові можливості для дослідження планетарної науки. Лід у затінених кратерах може містити недоторкані запаси льоду, привезеного кометами та іншими подіями з ранньої історії Сонячної системи. "Місяць став свідком деяких найважливіших моментів ранньої історії Сонячної системи, включаючи те, як вода була доставлена," - сказав Шмерр. "Вивчення льоду, що там накопичився, може розкрити, як вода поширювалася і, зрештою, як утворилися океани Землі."

Сейсмічні хвилі та лід

Виявлення льоду під поверхнею вимагає нових підходів до його локалізації. Поверхня Місяця є холодною і сухою. На основі досліджень на Землі вчені знають, що сейсмічні хвилі поводяться по-різному в залежності від типу матеріалів, через які вони проходять. Коли відбувається землетрус, він генерує механічні хвилі, які поширюються через всі матеріали під поверхнею, і їх швидкість змінюється залежно від того, що вони проходять. Густина та еластичність матеріалів є важливими факторами. Швидкість хвилі може вказати на глибину землетрусу, а отже, і на місце його виникнення.

Як приклад, якщо хвиля проходить через область з великою кількістю льоду, вона рухається в 2-3 рази швидше, ніж через ґрунт або пісок. Області з великою кількістю льоду також демонструють відбиття хвиль під час взаємодії з жорсткими, щільними матеріалами. Якщо на Місяці є багато льоду під землею, вчені очікують побачити зміни в швидкості сейсмічних хвиль та можливі відбиття. За словами Шмерра, відбиття також може вказати на інші характеристики прихованого льоду. "Ми можемо використовувати сейсмічні хвилі не лише для виявлення наявності льоду, але й для оцінки його кількості," - пояснив він.

Як перевірити наявність місячного льоду

Вивчати сейсмічні хвилі на Землі - одне, але робити це на Місяці - зовсім інше. Щоб визначити найкращий спосіб виявлення запасів місячного льоду, команда, очолювана Гаррісоном Лісабетом з Лабораторії Лоуренса Берклі, спробувала три підходи до виявлення. По-перше, вони взяли вулканічну породу з Арізони, яка є близьким аналогом місячних порід. Якщо розчавити цю породу, вона перетворюється на практично точний аналог місячного пилу. Її заморозили, а потім провели рентгенівське дослідження, щоб зрозуміти, як лід осідає між частинками пилу. Другий підхід полягав у моделюванні температури для полярних регіонів, де, як вважається, давні запаси льоду залишилися недоторканими сонячним світлом. Нарешті, Шмерр провів комп'ютерні симуляції незначних місячних землетрусів, щоб перевірити, як вони взаємодіють з підземним місячним льодом. Усі три методи виявили чіткі ознаки наявності льоду в даних.

Дані з рентгенівської томографії імітованого місячного реголіту, що показують а) сухий зразок, б) зображення крижаних мікроструктур, підготовлених з невеликою кількістю води, в) частинки без льоду, та г) лід без частинок. Лід діє як цемент у порах між частинками пилу. Результати цього тесту показали, як лід може існувати в реголіті Місяця. Автори: Лісабет, Шмерр та ін.

Результати виглядають багатообіцяючими, і команда дослідників змогла запропонувати кілька рекомендацій для подальших досліджень методів виявлення льоду на Місяці. Один з підходів - вивчення мікроструктур більшої кількості аналогів місячного реголіту на Землі. Крім того, майбутні комп'ютерні моделі повинні враховувати точніші вимірювання місячної топографії. Нарешті, команда пропонує провести додаткові сейсмічні моделі та тести, щоб визначити точніші місця та глибини льоду. Пошук місячного льоду є реальним завданням, і майбутнім дослідникам знадобиться цей ресурс. Команда зазначає, що нещодавні спектроскопічні дані свідчать про наявність від 100 до 400 мг/г води в місячному ґрунті. Тепер завдання полягає в тому, щоб визначити запаси, які можуть бути економічно доцільними для видобутку в промислових масштабах для місій Artemis та інших. Заплановані роботизовані та пілотовані місії до Місяця в наступному десятилітті нададуть можливості для застосування інструментів наземної геофізики для локалізації критично важливих місячних ресурсів. Наступна перспективна місія - китайська Chang'e-7, яка повинна вирушити на Місяць у.... і буде оснащена сейсмометром, здатним шукати запаси льоду в місці приземлення поблизу кратера Шаклтона. Місія Artemis 2028 також повинна мати можливість встановити станцію моніторингу навколишнього середовища на Місяці, яка також зможе виконувати сейсмічні дослідження.