زومیت/ شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که چگونه تأثیر برخورد سیارک توانسته میدان مغناطیسی ضعیف ماه را در اوایل حیاتش تقویت کند.

ماموریت‌های آپولوی ناسا نمونه‌هایی از سنگ‌های ماه را برای مطالعه به زمین آوردند. در دهه‌های بعد، اطلاعات زیادی از آن سنگ‌ها به دست آمد؛ اما یک معما همچنان باقی مانده است: بسیاری از این نمونه‌های سنگی نشانه‌هایی از قرارگیری در معرض میدان‌های مغناطیسی قوی مشابه با میدان مغناطیسی زمین را نشان می‌دهند، در حالی که ماه امروزه چنین میدانی ندارد. پس این سنگ‌های ماه چگونه مغناطیسی شده‌اند؟

تلاش‌های زیادی برای توضیح سنگ‌های مغناطیسی ماه صورت گرفت. آخرین نظریه که از سوی دانشمندان MIT ارائه شده است، بیان می‌کند که برخورد سیارکی بزرگ به‌طور موقت باعث تقویت میدان مغناطیسی ضعیف ماه در دوران اولیه‌اش شد و این تغییر ناگهانی دقیقا در برخی از نمونه‌های سنگی ماه به ثبت رسیده است.

مشاهدات فضاپیماهای مدارگرد، به‌همراه نتایجی که اوایل امسال از مأموریت‌های چانگ‌ای ۵ و چانگ‌ای ۶ چین اعلام شد، عمدتاً با وجود دست‌کم یک میدان مغناطیسی ضعیف در ماهِ اولیه سازگار هستند؛ اما چنین میدانی از کجا آمده است؟

میدان‌های مغناطیسی معمولاً در اجرام سیاره‌ای در نتیجه‌ی فرآیندی به‌نام دینامو شکل می‌گیرند که درجریان آن، فلزات مذاب در هسته دراثر از دست‌رفتن تدریجی گرما، شروع به همرفت (جابه‌جایی گرمایی) می‌کنند. مشکل اینجاست که هسته‌ی کوچک ماه آغازین، گوشته‌ای داشت که دمای آن چندان پایین‌تر از هسته نبود؛ بنابراین، همرفت قابل‌توجهی در کار نبوده تا دینامویی قوی به‌وجود آورد.
 
نمونه‌ی قمری 60015 ناسا در محفظه‌ی نگهداری نمونه‌های قمری در مرکز فضایی هیوستون، در مرکز فضایی جانسون ناسا به نمایش گذاشته شده است.
فرضیه‌هایی برای چگونگی شکل‌گیری دیناموی مرکزی در ماه مطرح شده‌اند. به عنوان مثال براساس تحلیلی در سال ۲۰۲۲، در یک میلیارد سال اول، زمانی که سطح ماه از سنگ مذاب پوشیده شده بود، سنگ‌های غول‌پیکری در حین سرد و جامد شدن ماگما تشکیل شدند. مواد معدنی سنگین‌تر به سمت هسته فرو رفتند و مواد سبک‌تر، پوسته را شکل دادند.

نویسندگان آن مطالعه استدلال کردند که با گذر زمان، لایه‌ای از تیتانیوم درست زیر سطح بلورین شد و از آنجایی که این لایه چگال‌تر از مواد معدنی سبک‌تر زیرین بود، سرانجام به قطعاتی شکسته و از میان گوشته به سمت پایین فرو رفت (پدیده‌ای به‌نام واژگونی گرانشی). تفاوت دمای سنگ‌های سردترِ در حال فروریزش با هسته‌ی داغ‌تر، باعث ایجاد همرفت شد و این همرفت‌ها میدان‌های مغناطیسی به تناوب قوی ایجاد کردند؛ این فرآیند می‌تواند توضیح دهد که چرا برخی از سنگ‌های ماه اثر مغناطیسی دارند و برخی ندارند.

برخورد سیارکی عامل احتمالی تشدید میدان مغناطیسی ماه بوده است.
اما شاید اصلاً نیازی به وجود میدان مغناطیسی ناشی از دینامو نباشد. برای مثال، نویسندگان مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۱ معتقد بودند که تحلیل‌های قبلی روی نمونه‌های ماه ممکن است در حین فرآیند آزمایش دچار تغییر شده باشند. آن‌ها دوباره نمونه‌هایی از مأموریت آپولو ۱۶ در سال ۱۹۷۲ را با استفاده از لیزرهای CO₂ حرارت دادند تا از تغییر در مواد حامل مغناطیس جلوگیری کنند. آن‌ها نتیجه گرفتند که هرگونه اثر مغناطیسی در آن نمونه‌ها را می‌توان با برخورد شهاب‌سنگ‌ها یا دنباله‌دارها به سطح ماه توضیح داد.
 
آماده برای برخورد
در سال ۲۰۲۰، دو نفر از نویسندگان مقاله‌ی جدید، بنجامین وایس و رونا اوران از مؤسسه MIT، شبیه‌سازی‌هایی را برای پاسخ به معما انجام دادند: آیا برخوردی عظیم می‌تواند عامل ایجاد پلاسمایی باشد که میدان مغناطیسی ضعیف ماه (تولید‌شده توسط خورشید) را به قدری تقویت کند که بتوان میزان مغناطیس ثبت‌شده در سنگ‌های ماه را توضیح داد. به نظر می‌رسد نتایج این شبیه‌سازی در آن زمان این احتمال را رد کردند.
 
تقویت میدان مغناطیسی دینامو‌ی ماه توسط برخوردی به اندازه‌ی حوضه‌ی ایمبریوم در استوای مغناطیسی.
این بار پژوهشگران با فرضیه‌‌ای جدید بازگشتند که درواقع عناصری از هر دو نظریه‌ی دینامو و برخوردِ تولیدکننده‌ی پلاسما را ترکیب می‌کند و همچنین اثر موج ضربه‌ای ناشی از برخورد را در نظر می‌گیرد.

پژوهشگرها برای آزمایش فرضیه جدید، با تمرکز بر برخوردی در ابعاد آنچه حوضه‌ی ایمبریوم ماه را ایجاد کرده و همچنین شبیه‌سازی‌هایی از ابر پلاسما، شبیه‌سازی‌هایی را از برخورد ایجاد کردند. فرض اولیه آن‌ها این بود که ماه آغازین دارای دینامویی بود که میدانی مغناطیسی حدود ۵۰ برابر ضعیف‌تر از میدان زمین تولید می‌کرد. نتایج نشان دادند که یک برخورد بزرگ، مثلاً توسط سیارک توانسته ابری از پلاسما ایجاد کند که بخشی از آن به فضا پراکنده شده و باقی‌مانده به سمت دیگر ماه جریان پیدا کرده و میدان مغناطیسی ضعیف موجود را برای حدود ۴۰ دقیقه تقویت کرده است.

نمونه‌های تازه ماه می‌توانند نشانه‌هایی از ضربه‌های برخوردی را آشکار کنند
عامل کلیدی در فرآیند تقویت میدان مغناطیسی، موج ضربه‌ای ناشی از برخورد اولیه است. این موج ضربه‌ای به امواج لرزه‌ای شباهت دارد و صخره‌های اطراف را به طوری لرزانده که چرخش‌های زیراتمی‌ آن‌ها در راستای میدان مغناطیسی تازه‌ تقویت‌شده هم‌راستا شده‌اند. وایس این اثر را به پرتاب یک دسته‌ی ۵۲ تایی کارت بازی در هوا درون یک میدان مغناطیسی تشبیه کرده است: اگر هر کارت یک سوزن قطب‌نما داشت، مغناطیس آن پس از برخورد با زمین، جهت تازه‌ای به خود می‌گرفت.
سناریوی فوق پیچیده است و بدون شکل به نوعی تصادف خوش‌یمن نیاز دارد؛ اما شاید برای تأیید یا رد آن زیاد منتظر نمانیم. پاسخ ممکن است در تحلیل نمونه‌های تازه‌ی ماه نهفته باشد که نه‌تنها نشانه‌هایی از مغناطیس بالا، بلکه نشانه‌هایی از شوک (ضربه‌ی برخوردی) نیز دارند. (در گذشته، نمونه‌های اولیه ماه اگر نشانه‌ای از شوک داشتند، معمولاً کنار گذاشته می‌شدند.)

دانشمندان امید دارند مأموریت‌های سرنشین‌دار آینده‌ی ناسا در برنامه‌ی آرتمیس بتوانند به معما پاسخ دهند، چرا که بازگرداندن نمونه‌ها از جمله اهداف اصلی این مأموریت‌ها است. البته، همه‌چیز به بودجه‌ی آینده‌ی ناسا بستگی دارد که در حال حاضر با کاهش قابل توجهی روبه‌روست، هرچند تا این لحظه، آرتمیس ۲ و ۳ همچنان طبق برنامه پیش می‌روند.

مقاله در مجله ساینس‌ادونسز منتشر شده است.