Schematyczne przedstawienie wnętrza Księżyca z bogatym w granat płaszczem Księżyca na szczycie granicy rdzeń-płaszcz oraz zdjęcie syntetycznego agregatu płaszcza Księżyca badanego w tym badaniu. Źródło: Centrum Badań Geodynamiki, Uniwersytet Ehime
Naukowcy zsyntetyzowali bogate w granat zespoły skał księżycowych, aby ustalić, czy prędkości dźwięku w tych kompozycjach odpowiadają profilom sejsmicznym głębokiego wnętrza Księżyca.
Korzystając z eksperymentów wysokociśnieniowych, doszli do wniosku, że obecność granatu jest zgodna z danymi sejsmicznymi obserwowanymi na głębokościach 740–1260 km, co sugeruje jego znaczącą rolę w strukturze i dynamice Księżyca.
Wnętrze Księżyca i obecność granatów
Nasz współczesny Księżyc ma strukturę wewnętrzną zawierającą centralny rdzeń metaliczny, na który nałożony jest płaszcz składający się z minerałów takich jak oliwin i piroksen (np. płaszcz Ol+Px) znajdujący się pod skorupą skorupy (np. Wieczorek i in. 2006). Taki obraz wnętrza Księżyca powstał na podstawie analiz powracających próbek Księżyca oraz zapisów głębokich zdarzeń sejsmicznych zebranych podczas misji na Księżyc (np. Weber et al., 2011).
Pomimo bogatej literatury, nadal toczy się od dawna debata na temat istnienia granatu (Gt) w głębszej części płaszcza Księżyca. Zastanawiając się nad istnieniem granatu, kluczowe pytanie postawione po raz pierwszy pięćdziesiąt lat temu (np. Anderson, 1975) pozostało bez odpowiedzi: czy zmierzone laboratoryjnie prędkości dźwięku w realistycznych agregatach księżycowych zawierających granat są zgodne z profilami sejsmicznymi głębokiego wnętrza Księżyca?
Metodologia badań i konfiguracja eksperymentalna
Aby udzielić odpowiedzi na to pytanie, badacze Ehime najpierw zsyntetyzowali bogate w granat zespoły skał księżycowych (próbka Ol+Px+Gt) pod wysokim ciśnieniem i w wysokich temperaturach, korzystając z wielokowadłowej prasy prasującej „ORANGE-2000” w Centrum Badań Geodynamiki. Próbki te zostały następnie przetransportowane do Wiosna-8wielkoskalowego ośrodka promieniowania synchrotronowego, zlokalizowanego w prefekturze Hyogo, gdzie przeprowadzono eksperymenty na linii promieni wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury BL04B1.
Tutaj badacze poddali księżycowy zespół skalny warunkom ciśnienia i temperatury podobnym do tych panujących w głębokim wnętrzu Księżyca, jednocześnie mierząc prędkość propagacji fal dźwiękowych w księżycowym zbiorowisku skalnym. Łącząc wyniki eksperymentu z elementem modelującym, badacze doszli do wniosku, że prędkości dźwięku w zbiorowiskach księżycowych zawierających duże ilości granatu są zgodne z profilami sejsmicznymi i gęstościowymi głębokiego wnętrza Księżyca, na głębokościach 740–1260 km.
Co więcej, odkryli, że jest mało prawdopodobne, aby zbiorowiska skalne zawierające niewielką ilość granatu lub nie zawierające go wcale wyjaśniały obserwowane prędkości sejsmiczne i gęstości płaszcza Księżyca na tych głębokościach.
Implikacje ustaleń dla badań Księżyca
Te intrygujące wyniki mają znaczące implikacje dla Księżyca i jego dynamiki wewnętrznej, w tym jego składu i formowania (np. Jing et al., 2022), temperatury wnętrza, a także implikacje dla jądra Księżyca i nieistniejącego już dynama księżycowego.
Odniesienie: „Prędkości dźwięku w agregatach płaszcza księżycowego przy jednoczesnym wysokim ciśnieniu i temperaturze: implikacje dla obecności granatu w głębokim wnętrzu Księżyca” Marisa C. Wood, Steeve Gréaux, Yoshio Kono, Sho Kakizawa, Yuta Ishikawa, Sayako Inoué, Hideharu Kuwahara, Yuji Higo, Noriyoshi Tsujino i Tetsuo Irifune, 4 czerwca 2024 r., Listy z zakresu nauk o Ziemi i planetach.
DOI: 10.1016/j.epsl.2024.118792
