Żelazo gamma przetrwało nietknięte w szkle uderzeniowym z Chang'e-6

Magnetyczna skamieniałość w szkle uderzeniowym

Cząstki żelaza miały od mniej niż 10 nanometrów do około 140 nanometrów i zawierały bardzo mało niklu, wynika z badania. Naukowcy wybrali trzy cząstki z żelazem z próbki gruntu Chang'e-6: dwa fragmenty szkła uderzeniowego i jeden fragment bazaltu. Za pomocą skupionej wiązki jonów wycięli cienkie skrawki do transmisyjnego mikroskopu elektronowego. W obu fragmentach szkła kuliste cząstki metalicznego żelaza tkwiły w matrycy bogatej w krzemionkę. Obrazowanie o wysokiej rozdzielczości i dyfrakcja ujawniły żelazo alfa i żelazo gamma.

Zaskoczyła struktura. Spośród 50 cząstek zbadanych losowo w obu próbkach szkła uderzeniowego dominowało żelazo gamma: 64% w jednej próbce i 76% w drugiej. Fragment bazaltu zachował się tak, jak oczekiwano. Jego znacznie większe ziarno metalicznego żelaza składało się wyłącznie z żelaza alfa, co pasuje do zwykłego krzepnięcia magmy, a nie do gwałtownego uderzenia.

Czyste żelazo gamma ma regularną strukturę ściennie centrowaną (fcc) i przy niskim ciśnieniu jest trwałe zwykle tylko w temperaturze od około 912 do 1 394 stopni Celsjusza. Przy zwykłym chłodzeniu przechodzi w regularną strukturę przestrzennie centrowaną, fazę alfa. Znalezienie go nietkniętego w księżycowym gruncie było więc niespodzianką. Cząstki przetrwały w szkle powstałym przy uderzeniach.

Jak uderzenia mogły zamrozić strukturę

Badacze przypuszczają, że zadziałały dwa warunki naraz. Pierwszy to obecność niewielkich ilości pierwiastków stabilizujących fazę ściennie centrowaną. Nikiel może pełnić tę rolę, ale cząstki zawierały mniej niż 0,8% niklu wagowo, znacznie poniżej poziomów typowych dla taenitu, stopu żelaza z niklem o strukturze fcc. Głównym kandydatem jest więc węgiel. Badania laboratoryjne pokazały, że niewielkie ilości mogą stabilizować nanometryczne żelazo gamma w temperaturze pokojowej, a materiał bogaty w węgiel pochodzący z impaktora znajdowano już wcześniej w próbkach księżycowych.

Drugi warunek to bardzo szybkie chłodzenie. Uderzenia meteorytów dają intensywne, krótkotrwałe ciepło, które może stopić księżycowy grunt. Na Księżycu bez atmosfery drobne kropelki i odłamki mogą potem bardzo szybko tracić ciepło. Gwałtowne hartowanie może nie pozwolić atomom przestawić się w trwalszą strukturę żelaza alfa. Otaczające szkło uderzeniowe może też mechanicznie uwięzić cząstki. Różnice w skurczu cieplnym żelaza i szkła mogą zostawiać nanocząstki pod naprężeniem, co może dodatkowo stabilizować ich strukturę i zachowanie magnetyczne.

Co żelazo może pokazać, a czego nie

Holografia elektronowa pokazała, że większe cząstki żelaza gamma mogą tworzyć trwałe stany wiru magnetycznego. To sugeruje, że obok lepiej znanych minerałów żelaza mogą one przechowywać dawną informację magnetyczną. „Ta maleńka magnetyczna skamieniałość może pomóc nam lepiej zrozumieć dawną historię magnetyczną Księżyca”, powiedział Long Li z zespołu.

Księżyc nie ma dziś globalnego pola magnetycznego, ale część jego skorupy pozostaje namagnesowana i przechowuje ślady pól sprzed miliardów lat. Naukowcy tradycyjnie opierali się na metalicznym żelazie alfa i stopach żelaza z niklem jako zapisach magnetycznych w skałach księżycowych. Zdaniem badaczy żelazo gamma mogłoby kiedyś pomóc oddzielić sygnały magnetyczne dawnego dynama w jądrze Księżyca od pól powstających przy wielkich uderzeniach. Zastrzegają, że ta możliwość pozostaje nieudowodniona.

Chang'e-6 przywiozła w 2024 roku pierwsze w historii próbki zebrane z niewidocznej strony Księżyca. Pochodzą z krateru Apollo w basenie Biegun Południowy-Aitken, jednej z najstarszych i najgłębszych struktur uderzeniowych na Księżycu. Misja przywiozła 1 935 gramów gruntu. Do tego czasu każda przywieziona próbka księżycowa pochodziła z widocznej strony. Odkrycie, opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences, to praca międzynarodowego zespołu, któremu częściowo przewodzili naukowcy z Laboratorium Silnych Pól Magnetycznych Chińskiej Akademii Nauk.