Исследование специалистов Лаборатории космической физики (SPL) Космического центра имени Викрама Сарабхаи (VSSC) выявило, что ионосфера Луны имеет необычайно высокую плотность электронов при прохождении планеты через «магнитный хвост» Земли.
Магнитный хвост — вытянутая часть магнитосферы, простирающаяся от Солнца. Под действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается, создавая область, где заряженные частицы могут оказаться в ловушке и взаимодействовать с Луной при её прохождении.
Открытие основано на анализе радиосигналов, передаваемых аппаратом миссии Индийского космического агентства (ISRO) «Чандраян-2», который не смог осуществить посадку на Луну в 2019 году. Открытие указывает на более существенную роль магнитных полей лунной коры по сравнению с теми, которые уже предполагались и обнаружены «Чандраяном-1».
Инновационные методы исследования
Группа исследователей применила новую методику для изучения распределения плазмы около Луны — тонкого слоя заряженных частиц (электронов и ионов), формирующегося над лунной поверхностью из-за взаимодействия с солнечным ветром, ультрафиолетовым излучением и влиянием магнитного хвоста Земли во время прохождения Луны через него.
Эксперимент использовал радиосигналы ТТК S-диапазона в двустороннем радиооккультном эксперименте. Радиосигналы, передаваемые «Чандраяном-2», отслеживались через слой лунной плазмы и принимались Индийской сетью глубокого космоса (IDSN) в Бангалор.
Эксперименты выявили плотность электронов примерно в 23 тысячи на кубический сантиметр. Это число аналогично результатам, полученным группой при изучении обратной стороны Луны. В 100 раз меньше такая плотность наблюдается на освещенной стороне Луны. Такой результат бросает вызов существующим моделям лунной плазмы.
Чандраян-2 противоречит предыдущим гипотезам
Луна проходит через магнитный хвост Земли, геохвост, на каждой орбите примерно за четыре дня. В это время её защищает от прямого солнечного ветра, и плотность плазмы, предположительно, была ниже из-за свободной диффузии вдоль линий магнитного поля Земли.
Наблюдения «Чандраяна-2» не подтверждают эту гипотезу, предполагая, что магнитные поля лунной коры удерживают плазму, не позволяя ей рассеиваться, и приводят к локальному росту концентрации электронов.
Изображение демонстрирует профили электронной плотности в районе северного полюса Луны 8 ноября 2022 года в 18:00 UTC. Левая панель отображает общее количество электронов вдоль вертикальной колонки. Правая панель показывает профиль электронной плотности (EDP) в виде черной кривой с зелёными и розовыми полосами, указывающими на стандартное отклонение (σ) и трёхкратное стандартное отклонение (3σ). Голубая область представляет отрицательные значения электронной плотности, то есть шум в данных. Фиолетовая кривая — симуляция модели ионосферы Луны (LIM), используемая для сравнения наблюдаемых данных с теорией. Средняя панель демонстрирует смоделированную электронную плотность в той же точке, но без учета влияния магнитных полей коры.
Ученые подтвердили гипотезу с помощью трехмерной модели лунной ионосферы (3D-LIM), разработанной в SPL-VSSC. Моделирование выявило, что для поддержания высоких значений плотности плазмы ионосфера должна находиться в состоянии фотохимического равновесия, которое возможно только в геохвосте при наличии магнитного поля коры.
Модель выявила пониженную концентрацию аргона и неона возле лунных полюсов, подтвердив результаты прошлых космических экспедиций.
Чандраян-2: после неудачи…
22 июля 2019 года в 14:43 по местному времени с космодрома Шрихарикота (SDSC) ракета-носитель GSLV MkIII-M1 успешно запустила миссию «Чандраян-2». После серии манёвров на орбите вокруг Земли аппарат 14 августа перешел на окололунную орбиту.
Успешное выведение на лунную орбиту (LOI) состоялось 20 августа, благодаря чему «Чандраян-2» занял эллиптическую орбиту вокруг Луны. В ходе серии маневров орбита постепенно снизилась до круговой полярной конфигурации на высоте 100 км. 2 сентября посадочный аппарат «Викрам» отделился от орбитального аппарата и произвёл манёвр схода с орбиты, в результате чего его орбита уменьшилась до 35 км х 101 км.
Сетямого сентября попытались приземлиться, следуя заданной программе спуска до двух километров от луны. На этом ключевом этапе связи с аппаратом прервалось.
До этого момента все системы и датчики посадочного аппарата работали превосходно, демонстрируя новые технологии, такие как двигательная установка с переменной тягой. Работоспособным оставался орбитальный аппарат, продолжающий передавать ценные данные, в том числе те, на основе которых было проведено исследование лунной ионосферы.
Борт «Чандраяна-2» несла восемь научных приборов для изучения геологии, состава и экзосферы лунной поверхности. Полученные данные расширяют наши представления о Луне, опираясь на информацию с прошлых лунных миссий.
…к открытиям сегодняшнего и завтрашнего дня
Высокая плотность плазмы может существенно повлиять на радиосвязь, заряд электростатического поля на лунную поверхность и взаимодействие с пылью. Этим аспектам уделяется большое значение для будущих миссий, как роботизированных, так и пилотируемых, которые будут изучать области под воздействием магнитных полей лунной орбиты.
Изучение поведения лунной ионосферы в разных условиях космоса поможет оптимизировать проектирование лунных обитаемых зон, особенно в местах, подверженных воздействию магнитных полей земной коры. Это открытие является важным шагом к пониманию плазменной среды вокруг Луны.
Это также подчеркивает значительный вклад индийских миссий «Чандраян», включая «Чандраян-3», действующий сейчас на Луне и уже совершивший несколько важных открытий, в развитии глобальных лунных исследований.
Изучение, изложенное в журнале The Astrophysical Journal Letters, доступно для прочтения. .