Доставленная с Луны почва содержит ранее не встречавшуюся там форму железа

Фото из открытых источников

Почва с обратной стороны Луны, собранная на спутнике Чанъэ-6, содержит чистое γ-Fe, форму железа, никогда ранее не встречавшуюся в лунных образцах, и способна сохранять магнитные свойства.

Ли Лонг и его коллеги из Хэфэйских институтов физических наук изучали частицы стекла с обратной стороны Луны, когда обнаружили железо, которое при лунной температуре обычно не должно существовать.

«Этот крошечный магнитный окаменелый объект может помочь нам лучше понять древнюю магнитную историю Луны», — пояснил Ли в пресс-релизе Китайской академии наук.

Стекло было доставлено из грунта, доставленного китайской миссией «Чанъэ-6», которая совершила посадку в бассейне Южного полюса-Эйткена и в июне 2024 года привезла первые в истории образцы, собранные на обратной стороне Луны. Содержащееся в нем железо находится в форме, называемой γ-Fe, или гамма-железо.

«Однако металлическое γ-железо стабильно только при высоких температурах и не было обнаружено в лунных образцах», — пишут авторы в аннотации к исследованию, опубликованному в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). «В данной работе мы сообщаем об идентификации стабильного в атмосферных условиях γ-Fe, сохранившегося в виде нанометровых частиц во фрагментах ударного стекла Chang'e-6 из бассейна Южного полюса-Эйткена».

Сегодня Луна не обладает глобальным магнитным полем, но её камни и почва до сих пор хранят записи о полях прошлого.

На Земле большая часть этих данных хранится в оксидах железа, таких как магнетит. На Луне ситуация иная. Согласно дополнительным материалам, «лунная поверхность представляет собой среду, лишенную атмосферы и воды, где преобладают сильно восстановительные условия», а основными носителями магнетизма являются металлическое железо в его обычной α-форме и железо-никелевые сплавы, такие как камацит и тенит.

Чистое гамма-железо представляет собой иное расположение атомов железа, гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру. Авторы отмечают, что в чистом виде оно стабильно только в диапазоне температур от 912 до 1394 градусов Цельсия и обычно превращается в α-Fe при охлаждении.

Работу возглавил Ду Хайфэн из Лаборатории сильных магнитных полей Хэфэйских институтов, первым автором был Пэнфэй Лю, а среди соавторов — Цзилиан Цзинь, Вин Уильямс и Энн Хирт.

Группа исследователей с помощью сфокусированного ионного пучка нарезала срезы ударного стекла: два из них толщиной 130 нанометров, а третий — 137 нанометров. Затем они изучили срезы с помощью просвечивающей электронной микроскопии, электронной дифракции и химического картирования.

В стекле было разбросано множество железных сфер диаметром всего в нанометры. Согласно пресс-релизу, в двух исследованных образцах ударного стекла преобладающей фазой железа было γ-Fe, хотя некоторые зерна представляли собой обычное α-Fe.

«Быстрое охлаждение и наличие следовых количеств стабилизирующих элементов, вероятно, способствовали его сохранению», — объясняют авторы.

В дополнительном тексте они указывают, в частности, на углерод: «Учитывая его широкое распространение в различных типах ударных метеоритов, особенно в материалах, аналогичных железистым метеоритам и углеродистым хондритам, даже незначительное включение углерода из таких источников может эффективно способствовать стабилизации γ-Fe».

Чтобы увидеть сам магнетизм, команда использовала внеосевую электронную голографию, которая отображает магнитные поля внутри тонкого образца на основе сдвигов электронных волн. Они наклонили образец, намагничили его в поле силой 2 Тесла, затем сняли поле и снова сделали снимок.

Более крупные частицы γ-Fe содержали по одному магнитному вихрю и сохраняли стабильную реакцию после воздействия внешнего поля.

«Используя электронную голографию, мы напрямую визуализируем состояние ферромагнитных вихревых доменов и показываем, что γ-Fe может регистрировать остаточную намагниченность», — пишут авторы.

Это неожиданно, поскольку, как указано в дополнительном тексте, «чистое γ-Fe является парамагнитным в диапазоне своей стабильности (912–1394 °C)».

Ученые до сих пор расходятся во мнениях относительно того, насколько сильным было древнее магнитное поле Луны и как долго оно существовало. Earth.com опубликовал свидетельства с обратной стороны Луны о том, что когда-то на ней работал динамо-машина — вращающееся ядро, питающее магнитное поле.

Сильные удары также могли вызвать кратковременные вспышки магнетизма. Авторы пишут, что предсказанная продолжительность жизни этих переходных полей, «которая оценивается на основе моделей, весьма ограничена и составляет всего несколько минут», и что для их регистрации «требуются закаленные материалы, демонстрирующие ферромагнитное поведение», такие как γ-Fe в этих образцах.

«Наши результаты закладывают основу для понимания эволюции динамо-процесса в ядре Луны и механизмов магнитной записи, вызванных ударами», — заключают они.

Исследования также показали, что магнитный щит Земли замедляет солнечный ветер, достигающий Луны.

Авторы четко указывают на ограничения. «Важно отметить, что, поскольку переходные поля удара никогда не наблюдались непосредственно в крупномасштабных природных явлениях, эти рассчитанные значения напряженности поля и соответствующие им временные масштабы представляют собой теоретические ограничения, а не хорошо подтвержденные факты», — пишут они.

Они также пока не смогли измерить другие магнитные свойства γ-Fe. «Однако из-за ограниченного количества подходящих образцов дальнейший анализ или численное моделирование магнитных свойств γ-Fe (например, коэрцитивной силы, магнитной восприимчивости) в настоящее время невозможны. Поэтому необходимы дальнейшие исследования».

Лунная почва продолжает преподносить сюрпризы. Ранее было обнаружено, что лунная пыль хранит следы древних взрывающихся звёзд, а китайская миссия «Тяньвэнь-2» совершила экспедицию к небольшому астероиду, который может оказаться потерянным фрагментом Луны.