Лунный кратер датировали по железу в реголите

Планетологи из команды «Чанъэ-5» с помощью спектроскопического анализа частиц железа определили степень космического выветривания грунта на месте посадки китайского аппарата. Выяснилось, что добытый им реголит происходит от чрезвычайно богатой железистыми минералами базальтовой породы, а кратер, из которого она была выброшена, образовался от 300 до 240 миллионов лет назад. Метод, использованный китайскими учеными, в дальнейшем позволит уменьшить возможные ошибки при спектральных минералогических исследованиях лунных пород и уточнить хронологию изменений на поверхности, сообщает статья в журнале Nature Astronomy.

Автоматическая станция «Чанъэ-5» в начале декабря 2020 года исследовала поверхность Луны в северо-западной части Океана Бурь, вблизи вулканического комплекса Пик Рюмкера. Из этого района в рамках миссии на Землю было доставлено 1,73 килограмма образцов реголита. Радиоизотопное датирование показало, что базальтовые лавы, из которых он происходит, излились около 2,03 миллиарда лет назад, ― это самая молодая лунная порода, доступная для непосредственного изучения.

Как продукт космического выветривания, реголит, который представляет собой смесь пыли и обломков, может рассказать и о том, как эволюционировала изверженная порода. О степени выветривания, или зрелости реголита, ученые судят по его спектральным характеристикам, которые зависят от содержания металлического железа. Под воздействием солнечного ветра и микрометеоритов железо в составе минералов лунного базальта восстанавливается из оксида FeO до металлического железа Fe⁰ и спекается в наночастицы ― так называемые агглютинаты. В их присутствии грунт приобретает красноватый оттенок, а его отражательная способность снижается.

Эти изменения проявляются в видимом и в ближнем инфракрасном диапазоне и усложняют интерпретацию спектроскопических свойств лунной поверхности, в частности, определение его минерального состава. Поэтому планетологи стремятся с возможно большей точностью установить степень зрелости реголита.

Китайские исследователи во главе с Лин Цзунчэном (Zongcheng Ling) из Шаньдунского университета изучили спектры отражения наночастиц железа в реголите, полученные из различных источников. Ученые объединили результаты анализа доставленных «Чанъэ-5» образцов с набором теоретически рассчитанных модельных спектров, а также с данными измерений, проведенных непосредственно на месте посадки, и орбитальных наблюдений японской миссии «Кагуя» и индийской «Чандраян-1».

Лин Цзунчэн и его коллеги учли различный вклад, который вносят в изменение спектральных характеристик грунта агглютинаты разного размера ― так называемые нанофазные (диаметром 4–33 нанометра) и микрофазные (свыше 33 нанометров). Предполагается, что мелкозернистое металлическое железо конденсируется из паровой фазы при облучении высокоэнергичными протонами солнечного ветра. Оно не только затемняет реголит, но и влияет на его окраску. Более крупные частицы железа могут возникать без участия излучения, в результате микрометеоритной бомбардировки, и снижают только общую отражательную способность. Это позволяет проводить анализ нано- и микрофазного железа раздельно и точнее определить, насколько сильно порода подверглась космическому выветриванию.

Оказалось, что самые мелкие (менее 25 микрометров) частицы реголита из числа образцов, отобранных как непосредственно с поверхности, так и с глубины до одного метра, содержат около 0,46 процента нанофазного железа по массе. Это значение близко к данным орбитальных измерений (0,47–0,51 процента) и модельных расчетов (0,50 процента). Однако оно примерно вдвое превышает результаты спектральных измерений на поверхности ― от 0,18 до 0,27 процента по массе. Расхождение может объясняться тем, что во время прилунения реактивная струя от двигателя посадочного модуля нарушила существовавшее на поверхности соотношение между частицами реголита разных размеров.

Показатель зрелости реголита вычисляют на основе коэффициентов отражения на различных длинах волн. Рассчитав его для наиболее старой, тонкодисперсной фракции, исследователи пришли к выводу, что грунт в районе посадочной площадки «Чанъэ-5» выветривался на протяжении 240–300 миллионов лет. Таков, по мнению ученых, и возраст 400-метрового кратера Сюй Гуанци: «Чанъэ-5» прилунился и произвел забор образцов примерно в 200 метрах к юго-востоку от него, в пределах одного из лучей выброса. Орбитальные спектроскопические измерения показывают практически такую же массовую долю (0,45 процента) нанофазного железа в материале, выброшенном при образовании кратера.

Содержание микрофазного железа оказалось очень высоким ― не менее 0,97 процента по массе ― по результатам всех измерений. Это означает, что молодые базальтовые породы, изверженные здесь 2,03 миллиарда лет назад, чрезвычайно богаты железом. На долю FeO в них приходится свыше 17 процентов массы, возможно, до 22,5 процента. Расчет сделан на основе сравнения с образцами реголита такой же степени зрелости, доставленными в рамках миссий «Аполлон» (США) и «Луна» (СССР): в них микрофазного железа примерно втрое меньше.

По мнению Лин Цзунчэна и его коллег, сравнительно крупные агглютинаты в пробах «Чанъэ-5», вероятнее всего, быстро образовались в результате ударного плавления базальта, обогащенного высокожелезистыми силикатными (оливин), оксидными (ильменит) или сульфидными минералами. Ученые надеются, что в будущем использованный ими метод с привлечением разных источников спектроскопических данных будет доработан для оценки возраста молодых кратеров. Кроме того, он позволит уточнить эволюцию лунного реголита в ходе миссий, не нарушающих первоначальное состояние грунта, например, с помощью передвижных станций.

Ранее N + 1 сообщал о том, что команда «Чанъэ-5» обнаружила в базальте больше воды, чем в реголите, и о том, как луноход «Юйту-2» миссии «Чанъэ-4» нашел на обратной стороне Луны камень-столб.