Чандраян-2 обнаружил высокую плотность электронов в лунной ионосфере
Недавнее исследование, проведенное учеными из Лаборатории космической физики (SPL) Космического центра имени Викрама Сарабхаи (VSSC), показало, что лунная ионосфера демонстрирует удивительно высокую плотность электронов, когда Луна проходит через «магнитный хвост» Земли.
Магнитный хвост — это вытянутая часть магнитосферы Земли, которая простирается в противоположном от Солнца направлении и образуется под действием солнечного ветра, который искажает магнитное поле Земли, создавая область, где заряженные частицы могут оказаться в ловушке и взаимодействовать с Луной, когда она проходит через нее.
Это открытие было сделано на основе анализа радиосигналов, переданных орбитальным аппаратом миссии Индийского космического агентства (ISRO) «Чандраян-2», который не смог совершить посадку на Луну в 2019 году. Открытие предполагает более значительную роль магнитных полей лунной коры по сравнению с теми, которые уже были предположены и обнаружены «Чандраяном-1».
Инновационные методы исследования
Исследовательская группа использовала инновационную методику для изучения распределения плазмы вокруг Луны — тонкого слоя заряженных частиц (электронов и ионов) над лунной поверхностью, образующегося в результате взаимодействия с солнечным ветром, ультрафиолетовым излучением и влиянием магнитного хвоста Земли во время прохождения Луны через него.
Эксперимент был основан на использовании радиосигналов ТТК S-диапазона в двухстороннем радиооккультном эксперименте. Радиосигналы, передаваемые «Чандраяном-2», отслеживались через слой лунной плазмы и принимались Индийской сетью глубокого космоса (IDSN) в Бангалор.
Результаты показали, что плотность электронов составляет около 23 000 на кубический сантиметр — значение, сопоставимое с тем, что уже наблюдалось той же командой на скрытой стороне Луны. Это значение почти в 100 раз выше, чем измеренное на освещенной стороне Луны. Этот поразительный показатель ставит под сомнение существующие теории о динамике лунной плазмы.
Чандраян-2 противоречит предыдущим гипотезам
На каждой орбите Луна проходит через магнитный хвост Земли, или геохвост, в течение примерно четырех дней. Во время этой фазы она защищена от прямого солнечного ветра, и, согласно предыдущим предположениям, плотность плазмы должна была быть ниже из-за свободной диффузии вдоль линий магнитного поля Земли.
Однако наблюдения «Чандраяна-2» противоречат этой гипотезе, предполагая, что магнитные поля коры Луны захватывают плазму, препятствуя ее рассеиванию и приводя к локальному увеличению плотности электронов.
На изображении ниже представлены профили электронной плотности, наблюдавшиеся в районе северного полюса Луны 8 ноября 2022 года в 18:00 UTC. Левая панель: общее количество электронов вдоль вертикальной колонки. Правая панель: профиль электронной плотности (EDP) в виде черной кривой, с зелеными и розовыми полосами ошибок, указывающими на стандартное отклонение (σ) и трехкратное стандартное отклонение (3σ), соответственно. Область голубого цвета представляет отрицательные значения электронной плотности, т.е. шум в данных. Фиолетовая кривая представляет симуляцию модели ионосферы Луны (LIM), используемую для сравнения наблюдаемых данных с теорией. Средняя панель: смоделированная электронная плотность в той же точке, но без учета влияния магнитных полей коры.
Для подтверждения этой гипотезы ученые использовали трехмерную модель лунной ионосферы (3D-LIM), разработанную в SPL-VSSC. Моделирование показало, что для поддержания таких высоких значений плотности плазмы ионосфера должна находиться в состоянии фотохимического равновесия, которое возможно только в геохвосте при наличии магнитного поля коры.
Модель также показала локальное снижение плотности аргона (Ar) и неона (Ne) вблизи лунных полюсов, что согласуется с предыдущими наблюдениями других космических миссий.
Чандраян-2: после неудачи...
Миссия «Чандраян-2» была успешно запущена 22 июля 2019 года в 14:43 (местное время) с космодрома Шрихарикота (Satish Dhawan Space Centre - SDSC) с помощью ракеты-носителя GSLV MkIII-M1. После серии орбитальных маневров вокруг Земли орбитальный аппарат 14 августа перешел на окололунную орбиту.
Выведение на лунную орбиту (LOI) было успешно осуществлено 20 августа, в результате чего «Чандраян-2» был выведен на эллиптическую орбиту вокруг Луны. Впоследствии в ходе серии маневров орбита была постепенно снижена до круговой полярной конфигурации на высоте 100 км. 2 сентября посадочный аппарат «Викрам» отделился от орбитального аппарата и совершил манёвр схода с орбиты, в результате которого его орбита уменьшилась до 35 км х 101 км.
Попытка посадки была предпринята 7 сентября, по запланированной траектории спуска до расстояния около 2 км от лунной поверхности. Однако на этом решающем этапе связь с посадочным аппаратом была потеряна.
Тем не менее все системы и датчики посадочного аппарата до этого момента работали превосходно, демонстрируя новые технологии, такие как двигательная установка с переменной тягой. Орбитальный же аппарат оставался полностью работоспособным и продолжал передавать ценные данные, в том числе те, на основе которых было проведено исследование лунной ионосферы.
На борту «Чандраяна-2» находилось восемь научных приборов, предназначенных для изучения геологии, состава и экзосферы лунной поверхности. Эти измерения помогают расширить наши представления о Луне, опираясь на знания, полученные в ходе предыдущих лунных миссий.
...к открытиям сегодняшнего и завтрашнего дня
Наблюдаемая высокая плотность плазмы может оказать значительное влияние на радиосвязь, влияние электростатического заряда на лунную поверхность и взаимодействие с лунной пылью. Эти аспекты имеют решающее значение для будущих роботизированных и пилотируемых миссий, которые будут исследовать регионы, подверженные влиянию магнитных полей лунной орбиты.
Понимание поведения лунной ионосферы в различных космических условиях также позволит оптимизировать дизайн лунной среды обитания, особенно в районах, подверженных влиянию магнитных полей земной коры. Это открытие представляет собой значительный шаг в понимании плазменной среды вокруг Луны.
Оно также демонстрирует ценный вклад индийских миссий «Чандраян», в том числе «Чандраян-3», который в настоящее время находится на Луне и уже стал главным героем нескольких открытий, в развитие глобальных лунных исследований.
С исследованием, опубликованным в журнале The Astrophysical Journal Letters, можно ознакомиться .