Магнитное поле Луны всегда вызывало вопросы. Космические зонды фиксировали его наличие, но оно оказалось слабым и локальным, в отличие от защитного «кокона» Земли. Анализ лунного грунта, доставленного на Землю, долгое время лишь усиливал эту путаницу. Новое исследование Ибо Яна из Чжэцзянского университета и Линь Сина из Китайской академии наук, опубликованное в журнале Fundamental Research, наконец прояснило ее причины.
Квантовые датчики и отдельные зерна пыли
Для работы исследователи использовали алмазные сенсоры с азотно-вакансионными центрами, способные фиксировать магнитные поля на квантовом уровне. Метод оптически детектируемого магнитного резонанса (ODMR) регистрировал флуоресценцию алмаза под лазерным лучом, показывая локальные изменения магнитного поля в каждой частице. Такой подход оказался гораздо точнее существующих квантовых датчиков, что позволило анализировать отдельные зерна, а не средние значения по смешанным образцам.
Особенно важным было то, что ученые смогли различать источники магнетизма внутри частиц — например, наночастицы железа или участки, поврежденные трещинами. Это позволило точно сопоставить магнитные свойства с происхождением частицы, что ранее было почти невозможно.
Базальт и динамо Луны
Базальтовые зерна, образовавшиеся из остывшей магмы, показали слабые, но однородно ориентированные магнитные сигналы. Магнетизм объясняется присутствием железа или сульфидного минерала троилита. Ориентация частиц свидетельствует о том, что они формировались под действием активного внутреннего динамо Луны.
«Это подтверждает существование лунного динамо по крайней мере 2 миллиарда лет назад», — поясняют авторы.
Такое открытие важно, поскольку ранее магнитное поле Луны считалось нестабильным и кратковременным. Теперь ясно, что внутреннее динамо действовало достаточно долго, чтобы выстроить ориентацию кристаллов в базальте, что отражается даже в современных частицах пыли.
Удары астероидов оставили свой след
Другой тип частиц — брекчия — образовался при сплавлении обломков пород под воздействием ударов астероидов. В отличие от базальта, она демонстрирует сильную и хаотичную намагниченность, случайное распределение направления магнитного поля. Это результат ударно-остаточной намагниченности, когда железо-никелевые сплавы или нанофазное железо в обломках приобретают магнитные свойства под воздействием энергии столкновения.
Некоторые трещины в этих породах содержат магнитные полосы, вероятно сформированные позже под влиянием солнечного ветра или микрометеоритов. Это показывает долгосрочное космическое выветривание и химические изменения в минералах после их формирования.
Значение для науки
Использование квантовых магнитных сенсоров открывает новые возможности в геологии и исследовании космоса.
«Образцы "Чанъэ-5", самые молодые из когда-либо доставленных с Луны, предоставляют наилучшее на сегодняшний день свидетельство магнитной истории нашего ближайшего соседа», — отмечают авторы.
Теперь ученые могут различать магнетизм, вызванный внутренними процессами, и тот, который возник из-за внешних ударов. Это позволяет точнее реконструировать историю Луны и понять, как взаимодействие внутренних и внешних факторов формировало ее магнитное поле. Новые данные помогут также уточнить модели формирования Луны и эволюции ее коры.
Квантовые сенсоры становятся все более распространенными, и ожидается, что подобные исследования будут расширяться на другие лунные и астероидные образцы.
«Мы постепенно приближаемся к возможности проследить всю историю магнитного поля Луны, разделяя естественное динамо и ударные события, что раньше казалось невозможным», — подчеркивают исследователи.