Raport: Geologia Srebrnego Globu
Podczas zorganizowanej przez NASA w marcu w Waszyngtonie konferencji „Ignition” administrator agencji, Jared Isaacman, jasno dał do zrozumienia, że misja Artemis II to dopiero początek szeroko zakrojonego amerykańskiego programu mającego na celu stałą obecność na Księżycu zarówno ludzi, jak i robotów badawczych. Jeśli te działania będą postępować w tak zawrotnym tempie, jakiego pragnąłby Isaacman, to ten niebiański towarzysz Ziemi stanie się również źródłem przełomowych odkryć naukowych.
Pomimo bliskości Księżyca wiemy o nim zaskakująco niewiele. Astronauci z programu Apollo przywieźli na Ziemię skały księżycowe i przeprowadzili kilka krótkotrwałych eksperymentów geologicznych, ale większość naszej wiedzy o Księżycu pochodzi z krążących wokół niego satelitów, obserwacji teleskopowych z Ziemi oraz kilku misji pobierania próbek, które niedawno przeprowadziły Chiny.
Wielu naukowców nie może się doczekać, żeby móc wykorzystać Księżyc niczym kamień z Rosetty do badania pochodzenia i ewolucji naszego globu oraz całego Układu Słonecznego. Tektonika, wulkanizm, oceany, atmosfera i życie zniszczyły geologiczne zapisy z najwcześniejszych epok naszej planety, ale Księżyc, na którym nie zachodziły tak burzliwe procesy, przechował dowody z przeszłości. Dzięki temu ta srebrzysta kula jest „idealnym laboratorium geologicznym” – mówi Sara Russell, planetolożka z Natural History Museum w Londynie. Mając teraz lepszy dostęp do Księżyca, możemy przedstawić najważniejsze pytania, na które selenolodzy chcieliby znaleźć odpowiedź.
W jaki sposób Księżyc wciąż pozostaje geologicznie aktywny?
Geologiczne „życie” planet i księżyców – czyli erupcje wulkaniczne, trzęsienia ziemi, wypiętrzanie się gór i powstawanie basenów oceanicznych – rozwija się dzięki ciepłu we wnętrzu obiektów. Jednakże gdy to ciepło słabnie, glob umiera – w sensie geologicznym.
Naukowcy znają trzy główne sposoby, dzięki którym te metaforyczne ognie mogą nadal płonąć. Wewnątrz planet i księżyców pozostała pewna ilość pierwotnego ciepła, powstałego w wyniku zderzeń ciał, które je uformowały. Ciepło emitują również rozpadające się pierwiastki promieniotwórcze. Ciepło tarcia wytwarzają natomiast siły pływowe, które ugniatają wnętrze globu jak ciasto.
Księżyc jest znacznie mniejszy od Ziemi, więc jego pierwotne ciepło powinno już dawno ulotnić się w przestrzeń. Z badań próbek księżycowych i modeli teoretycznych wynika, że nie ma on ukrytych zasobów pierwiastków promieniotwórczych. Dokładne obliczenia pokazują też, że przyciąganie grawitacyjne Ziemi nie powinno powodować znaczącego ogrzewania pływowego Księżyca. Jednakże na Księżycu wciąż występują płytkie trzęsienia ziemi, a szacunki wieku oparte na liczbie kraterów na jego pokrytej bliznami powierzchni świadczą, że był on aktywny wulkanicznie jeszcze 100 mln lat temu – co w skali geologicznej jest niczym wczoraj.
Naukowcy oczywiście mają pytania. „Czy Księżyc nadal wykazuje aktywność wulkaniczną?” – pyta Thomas Watters, starszy naukowiec w Center for Earth and Planetary Studies przy Smithsonian National Air and Space Museum w Waszyngtonie. Aby dowiedzieć się, jak silna obecnie jest aktywność geologiczna i skąd się ona bierze, „musimy dokładniej przyjrzeć się wewnętrznej strukturze Księżyca” – mówi Watters.
Aby dotrzeć do (geologicznego) sedna sprawy, naukowcy pragną poznać największą tajemnicę Księżyca: co dzieje się w jego najgłębszych warstwach. „Czy Księżyc ma jądro stałe, czy płynne?” – pyta Yuqi Qian, selenolog z University of Hong Kong. I odpowiada: „Wciąż tego nie wiemy”.
Dzięki sejsmometrom naukowcy mogą wykorzystać trzęsienia ziemi na Księżycu (wywołane albo przez wewnętrzne wstrząsy, albo przez uderzenia meteorytów) do wykonania tomografii komputerowej głębokich warstw pod powierzchnią. Niestety sejsmometry, które astronauci z misji Apollo umieścili na Księżycu, przestały działać w 1977 roku, ale nawet gdyby nadal działały, niewiele by to dało, gdyż wszystkie znajdują się w jednym miejscu na widocznej stronie Księżyca. „Nie mamy żadnych sejsmometrów rozmieszczonych na jego dalszej stronie” – mówi Qian.
Ale to się wkrótce zmieni. Jeśli wierzyć obecnym planom, misja Artemis IV umieści astronautów na Księżycu w 2028 roku. Członkowie załogi, którzy dotrą na miejsce lądowania w pobliżu południowego bieguna Księżyca, będą mieli ze sobą najnowocześniejszy zestaw sejsmometrów Lunar Environment Monitoring Station. W ramach inicjatywy NASA o nazwie Commercial Lunar Payload Services (Komercyjne usługi transportu ładunków księżycowych) na dalszej stronie Księżyca roboty rozstawią sieć czujników Farside Seismic Suite (Zestaw sejsmiczny dalszej strony). „Astronauci misji Artemis zainstalują jedne z pierwszych węzłów globalnej sieci sejsmicznej” – mówi Nicholas Schmerr, sejsmolog i planetolog z University of Maryland w College Park. (Chiny mogą dokonać swojego pierwszego załogowego lądowania w jakimś miejscu na bliskiej stronie Księżyca i również umieścić sejsmometry).
Sejsmometry świetnie nadają się nie tylko do badania tajemnic wnętrza Księżyca; można je również wykorzystać do ustalenia, jak aktywny sejsmicznie jest on obecnie. Trzęsienia ziemi na Księżycu, które w największym nasileniu mogą trwać godzinami, mogłyby zagrozić przyszłej bazie księżycowej. „Nie należy traktować Księżyca jako całkowicie bezpiecznego miejsca – mówi Watters. – Trzeba najpierw sprawdzić, czy aktywność sejsmiczna nie stanowi zagrożenia dla długoterminowej infrastruktury.”
Dla zrozumienia geologicznego tętna Księżyca, kluczowe znaczenie będą miały również próbki. Z badania skał, dostarczonych na Ziemię przez chińskie misje bezzałogowe Chang’e 5 i Chang’e 6, wynika, że na Księżycu występowała aktywna działalność wulkaniczna co najmniej do dwóch miliardów lat temu. Aby poszerzyć naszą wiedzę o nowszej historii Księżyca, konieczne jest pozyskanie z jego powierzchni materiałów młodszych. Jak twierdzi Qian, „na razie takimi próbkami nie dysponujemy”.
Naukowcy mają również nadzieję, że podczas przyszłych lądowań uda się zlokalizować i pobrać próbki z odsłoniętych fragmentów płaszcza księżycowego, który jest pierwotnym podłożem skorupy księżycowej. Gdyby skały płaszcza okazały się obfite w produkty rozpadu promieniotwórczego, oznaczałoby to prawdopodobnie, że wnętrze Księżyca jest bogatsze w radioizotopy wytwarzające ciepło, niż dotąd sądzili naukowcy – co wyjaśniałoby, dlaczego Księżyc wciąż jest aktywny, mimo że jego okres ważności geologicznej już dawno minął.
Jak powstał Księżyc?
Najpopularniejsza hipoteza dotycząca powstania Księżyca zakłada, że Thea – protoplaneta wielkości Marsa – zderzyła się z proto-Ziemią, a szczątki obu ciał szybko połączyły się, tworząc Księżyc. Ta opowieść nie jest bajką: potwierdzają ją rzetelne symulacje komputerowe oparte na licznych dowodach geochemicznych. Próbki płaszcza Księżyca mogłyby wzmocnić tę hipotezę, a obserwacje geofizyczne mogłyby wyjaśnić najdziwniejszą cechę Księżyca.
Strona widoczna z Ziemi pokryta jest rozległymi, ciemnymi plamami ostygłej lawy wulkanicznej zwanymi morzami. Strona niewidoczna z Ziemi przypomina bardziej Merkurego: jest to pokryty kraterami teren poprzecinany poszarpanymi grzbietami górskimi. Dlaczego Księżyc ma dwie tak różne twarze?
Jednym z możliwych wyjaśnień jest tak zwany blask Ziemi. Miliardy lat temu, kiedy powstawał Księżyc, jego orbita znajdowała się 15 razy bliżej Ziemi niż obecnie. W pewnym momencie doszło do synchronizacji pływowej Księżyca, co oznacza, że jedna półkula (strona widoczna) na zawsze stała się zwrócona w stronę Ziemi. A ponieważ w tamtych czasach nasza planeta była wrzącą kulą magmy, bliższa strona Księżyca została upieczona niczym crème brûlée, przekształcając się w stopioną i pęcherzykowatą masę. Strumienie odparowanej skały wirowały wokół Księżyca, ochładzając się i opadając na drugą stronę, tworząc jej grubą, nierówną skorupę. Sieć sejsmometrów, zwłaszcza na stronie dalszej, mogłaby ujawnić ukryte ślady przeszłości Księżyca. „Jaka jest struktura Księżyca? – pyta Russell. – Trzeba to ustalić, ponieważ pomoże nam to zrozumieć, w jaki sposób Księżyc powstał z resztek gigantycznego zderzenia, a następnie jak ewoluował”.
Skąd wzięła się woda na Księżycu?
NASA zamierza wysłać astronautów w okolice południowego bieguna Księżyca, ponieważ właśnie tam, w kraterach pozostających w wiecznym cieniu, znajduje się pewna ilość lodu wodnego – potencjalnego źródła wody dla ludzi, uprawy roślin oraz produkcji paliwa rakietowego w stałej bazie księżycowej. Nie jest więc przypadkiem, że poszukiwania zasobów na Księżycu były gorącym tematem podczas konferencji „Ignition”. Astronauci mogliby w zasadzie sami zejść do zdradliwie ciemnych i zimnych kraterów, ale większość poszukiwań wody będzie prowadzona przez roboty.
NASA wyśle łazik Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (Łazik badający substancje lotne na biegunie), którego instrumenty pozwolą wywęszyć wodę pod powierzchnią, a następnie wykona wiercenia mające potwierdzić jej obecność. Podobne zadania będzie wykonywał łazik NASA nowej generacji – Lunar Terrain Vehicle (Księżycowy pojazd terenowy) – sterowany przez astronautów lub poruszający się autonomicznie po powierzchni. Podczas nadchodzącej misji załogowej astronauci mają zabrać ze sobą Lunar Dielectric Analyzer (Księżycowy analizator dielektryczny) – przyrząd, który może wykrywać prądy elektryczne w podłożu, co może ujawnić obecność lodu. „Dzięki temu naprawdę dowiemy się, gdzie na Księżycu znajduje się woda i w jakiej jest postaci” – mówi Russell.
Poszukiwanie wody nie ma wyłącznie praktycznego celu. Naukowcy wciąż nie są pewni, skąd wzięła się woda na Ziemi. Dwie główne podejrzane to bogate w lód komety i suchsze planetoidy. Badania geochemiczne meteorytów i oceanów na Ziemi sugerują, że bardziej prawdopodobnym nośnikiem były planetoidy, ale sprawa jest nadal otwarta. Analiza stosunkowo dziewiczej powierzchni Księżyca – której znaczna część była zamrożona przez miliardy lat – może pomóc w rozwiązaniu tej zagadki. „Jeśli na Księżycu znajduje się lód wodny, jego sygnatura może być bardziej prymitywna” – mówi Qian. A ponieważ Ziemia i Księżyc mają bardzo podobną historię, „woda na Księżycu ma prawdopodobnie takie samo pochodzenie, jak woda na Ziemi” – twierdzi Russell. Teraz naukowcy muszą tylko ją znaleźć.