Solvidenskab har en lys fremtid på månen

Der er mange grunde til, at NASA forfølger Artemis-missionen for at lande astronauter på månen i 2024:Det er en afgørende måde at studere selve månen på og bane en sikker vej til Mars. Men det er også et godt sted at lære mere om at beskytte Jorden, som blot er en del af det større Sol-Jord-system.

Heliofysikere - videnskabsmænd, der studerer Solen og dens indflydelse på Jorden - vil også sende deres egne NASA-missioner som en del af Artemis. Deres mål er bedre at forstå det komplekse rummiljø omkring vores planet, hvoraf meget er drevet af vores sol. Jo mere vi forstår det system, jo mere vi kan beskytte rumteknologi, radiokommunikation, og brugsgitter fra vores nærmeste stjernes vrede.

Her er fem grunde til, at heliofysikere er vilde med månemuligheder.

1. Det er en stabil satellit

Den første fordel ved månebaseret videnskab vedrører satellitjitter, hvilket rasler rumforskere af enhver stribe.

Satellitter er mere rystende, end du måske tror. De er lavet af metaller, der udvider sig og trækker sig sammen med temperaturændringer. De bærer teleskoper, der konstant drejer for at blive rettet mod mål. De affyrer boostere og drejer reaktionshjul for at forblive i kredsløb. Hver af disse manøvrer forårsager jitter, som kan kaste målinger af sig, der kræver præcision.

Men månen - Jordens eneste naturlige satellit - er en meget mere jævn tur.

"Månen er et dejligt stabilt sted - den ryster eller ryster ikke som et rumfartøj, sagde David Sibeck, en heliofysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Enhver, der prøver at udføre målinger i høj opløsning, vil være glade for ikke at skulle bekymre sig om jitter."

Et jitterfrit miljø er et plus for alle rumvidenskaber, men der er ekstra bonusser for heliofysikere, der studerer nordlys. Med et gennemsnit på 238, 855 miles fra Jorden, månen har en fantastisk udsigt over Jordens nordlys, når de bevæger sig mod ækvator under store geomagnetiske storme. Ud over, da den samme side af månen altid vender mod Jorden, teleskoper skal ikke justeres nær så meget. Plant dem på overfladen, og månen holder dem spidse for dig.

2. Prime Eclipse Viewing, On Demand

Længe før rumalderen, videnskabsmænd stolede på, at månen hjalp dem med at studere Solen. Patientobservatører ventede på totale solformørkelser, når månen udelukker Solens lyse overflade. Først da kunne de se dens spinkle ydre atmosfære, kendt som corona.

Men ventetiden kan være lang. En total solformørkelse sker et sted på Jorden en gang hver 18. måned. For enhver specifik placering, det er mere som en gang hvert fjerde århundrede.

"Vi får fantastiske resultater ud af formørkelser, " sagde John Cooper, en heliofysiker hos Goddard. "Men vi får dem ikke hver dag."

Men et solseende teleskop, i den rigtige bane omkring månen, kunne generere formørkelser "on demand." I stedet for at vente på, at månen bevæger sig hen over dit teleskops synslinje, Cooper forklarer, du flytter din synslinje bag månen.

"Dybest set bruger du månens knivsæg mod det dybe mørke, sort himmel, " sagde Cooper. Da månen ikke har nogen billedforvrængende atmosfære at se igennem, målingerne ville være endnu skarpere end dem, der blev foretaget på Jorden.

Fra sin tætte bane, sådan et teleskop ville ikke generere totale solformørkelser – det ville studere én del af Solens lem ad gangen. Men Cooper vurderer, at du kunne se både de østlige og vestlige lemmer af Solen én gang hver gang – to højopløselige visninger, hver eneste dag.

3. Det er uden for Jordens magnetfelt

Rumvejr er en del af heliofysik, hvor ren videnskab får anvendelse i realtid. Rumvejrforskere studerer Solen - inklusive dens konstante strøm af solvind - og deres indvirkning på Jorden. Disse anvendte forskere er nødt til at få den grundlæggende fysik rigtigt for at holde vores værdifulde kommunikations- og GPS-satellitter sikre. Men det kan være vanskeligt at afgøre, om en satellit er i fare.

En satellits sikkerhed afhænger, delvis, om det er inden for eller uden for Jordens magnetopause. Magnetopausen er et skiftende ingenmandsland, hvor Jordens magnetiske skjold slutter, og rumvejrets fulde belastning begynder. Inde, du er stort set sikker. Uden for, du er ikke.

Men lige nu, den eneste måde at vide, hvor grænsen går, er at flyve igennem det.

"Nogle gange er der en vrikke i dataene, og du kan se grænsen krydse dig, sagde Sibeck. Nogle gange ser man ti vrikker.

Men der er en anden måde at finde magnetopausen på, hvis du kan komme langt nok uden for Jordens magnetiske skjold. Når solvinden rammer Jordens atmosfære lige uden for magnetopausen, det udsender røntgenstråler. Et korrekt placeret røntgenteleskop kunne fange det lys og spore placeringen af ​​magnetopausen.

Derfor er Sibeck på et hold, ledet af rumforsker Brian Walsh ved Boston University, det er at sætte et røntgenteleskop på månen.

"Ingen har taget disse globale billeder, og månen har et godt udsigtspunkt uden for Jordens magnetfelt, sagde Sibeck.

Lunar Environment heliosfærisk røntgenbilleder, eller LEXI mission, vil blive plantet på månens overflade for at tage realtid, globale billeder af magnetopausen. Den 1. juli 2019, NASA meddelte, at LEXI vil være blandt de første månens nyttelast til at deltage i Artemis-missionen. De forventer at være på månens overflade allerede i 2022.

LEXI er lidt mere end en yard lang, men månens overflade kan rumme meget større røntgenteleskoper. Det er gode nyheder, fordi røntgenstråler er svære at fokusere; længere teleskoper får billeder i meget højere opløsning. Kravet om at være stor har udgjort et problem; nogle satellitter er bare ikke store nok til at bære dem. "Men på månen, ting kan være rigtig store, sagde Sibeck.

4. Du kan grave solens historie op

Svaret på nogle spørgsmål inden for heliofysik ligger begravet på selve månen.

"Månen er som en tidskapsel, " sagde Steve Clarke, Stedfortrædende associeret administrator for efterforskning hos NASA. "Fordi den blev dannet på samme tid som Jorden, det har solsystemets historie på overfladen."

I løbet af dens første milliard år, Solen drejede sandsynligvis hurtigere end i dag, skyder et større volumen af ​​soludbrud ud og elektrificerer selve det rum, der dannede planeterne. Men for at vide med sikkerhed, hvordan den første milliard år var, vi har brug for beviser for ting, der skete længe, lang tid siden.

Månen - som ikke har nogen atmosfære, intet flydende vand, og ingen pladetektonik - giver netop sådan en historisk optegnelse. Soludbrud fra milliarder af år siden efterlader uforstyrrede spor i månestøv.

Et nyligt papir kiggede på månestøv for at studere mængden af ​​flygtige stoffer - elementer som natrium og kalium, med lavt kogepunkt - der forblev i måneprøver. Disse flygtige stoffer sparkes af månen, når energiske solpartikler rammer månens overflade. Ved at se på, hvor meget af disse elementer, der er blevet udtømt over tid, videnskabsmænd så vores sols første milliard år i en bredere sammenhæng. Selvom det plejede at dreje hurtigere, end det gør i dag, sammenlignet med andre var det stadig en "langsom rotator, "snurrer langsommere end 50 % af lignende stjerner - og går i udbrud langt sjældnere, end det måske har gjort.

"Det kunne have været et meget hårdere miljø, " sagde Prabal Saxena, hovedforfatter af undersøgelsen og en astronom hos Goddard.

Der er stadig mere gammel historie at lære af månestøv. Månen har ikke et globalt magnetfelt - men den kan have haft et tidligere. Prøver fra månens poler, hvor den kommende Artemis-mission planlægger at lande, kunne vise, om et historisk magnetfelt ændrede mønsteret af efterladte flygtige stoffer.

5. Det er et testbed for Mars

For fremtidige astronauter på månen og Mars, rumvejr vil kræve konstant opmærksomhed. Solen disker op med masser at bekymre sig om - og den rejser hurtigt.

På månen, Røntgenlys fra soludbrud når overfladen inden for otte minutter. Koronale masseudstødninger - gigantiske skyer af varmt, ladede partikler - kan nå det inden for en dag. Solenergipartikler, eller SEP'er, er sjældnere, men endnu hurtigere og farligere.

"SEP'er kommer klokken 10, 20% lysets hastighed, når os inden for en time, sagde Karin Muglach, en solfysiker ved Goddard's Space Weather Lab. "Disse ting er som kugler."

Fordi månen er kun et lyssekund væk, advarselssystemer på Jorden bør tjene godt nok til at beskytte astronauter på månen. "Men hvis du tager ud til Mars, kommunikation kan være ret forsinket, " sagde Muglach.

At teste sådanne beskyttelsessystemer i nærheden er en af ​​grundene til, at NASA tager til månen, før de går til Mars.

Til Månen og hinsides

Mens NASA går frem til månen og videre til Mars, nye muligheder for at lære om Sol-Jord-forbindelsen florerer. Men det er ikke kun grundlæggende videnskab. Solens indflydelse fylder rummet omkring os - selve det rum, som fremtidige astronauter bliver nødt til at navigere og forstå.

"Ikke alle videnskaber får det virkelig praktiske aspekt, " sagde Jim Spann, førende rumvejrforsker ved NASAs hovedkvarter i Washington, D.C. "Jeg synes, det er ret fedt."