Kunne fiberoptisk kabel hjælpe videnskabsmænd med at undersøge månens dybe lag?

Et stigende antal seismologer bruger fiberoptiske kabler til at detektere seismiske bølger på Jorden – men hvordan ville denne teknologi klare sig på månen, og hvad ville den fortælle os om de dybe lag af vores nærmeste nabo i rummet?

I Seismological Research Letters, Wenbo Wu fra Woods Hole Oceanographic Institute og kolleger udforsker ideen om at installere et seismisk fibernetværk på månen og diskuterer nogle af de udfordringer, der skal overvindes.

De tester også dette hypotetiske netværk ved hjælp af kunstige seismogrammer skabt ud fra data indsamlet af seismometre placeret på månens overflade af Apollo-missionerne. Baseret på deres resultater siger Wu og kolleger, at et fiber-seismisk netværk kunne identificere den slags seismiske bølger, der ville give mere information om månens dybe kernestruktur.

De fire seismometre placeret på månen mellem 1969 og 1976 af Apollo-missionerne opdagede tusindvis af seismiske hændelser over syv år på den nærmeste side af månen. Disse begivenheder omfattede lavvandede og dybe måneskælv samt meteoritnedslag.

De seismiske data fra Apollo kom dog med nogle ubesvarede spørgsmål:Hvad forklarer den mystiske mangel på måneskælv på den anden side af månen? Og hvorfor opdagede Apollo-seismometrene måneskælv, der fandt sted 700 til 1.100 kilometer under overfladen, i en dybde på Jorden, hvor varme og tryk ville føre til plastisk deformation i stedet for et jordskælvs sprøde brud?

Besvarelse af disse spørgsmål vil kræve mange flere seismometre udsat i et barsk miljø for at indsamle yderligere seismiske hændelser, en opgave som fiberseismiske netværk er velegnede til, foreslår forskerne.

Wu og kolleger foreslår at bruge Distributed Acoustic Sensing, eller DAS, til et nymåne-netværk. DAS bruger de små interne fejl i en lang optisk fiber som seismiske sensorer. Et instrument kaldet en interrogator i den ene ende af fiberen sender laserimpulser ned i kablet, som reflekteres af fiberfejlene og hoppes tilbage til instrumentet. Når fiberen forstyrres af seismisk aktivitet, kan forskere undersøge ændringer i de reflekterede impulser for at lære mere om de resulterende seismiske bølger.

"Det er en meget tæt seismisk række," sagde Wu. "Et kabel kan give dig tusindvis af individuelle sensorer."

En af de største udfordringer for månens seismologi er det porøse og brækkede tæppe af murbrokker kaldet regolit, der dækker månens overflade. Nogle af de første seismiske bølger detekteret efter et måneskælv er spredt af dette lag, og spredningen skjuler senere ankommende bølger, der kunne give mere information om månens dybder.

De data, der er indsamlet af de tusindvis af sensorer i et DAS-array, kan sammenlignes i en signalbehandlingsteknik kaldet array-stacking, demonstrerer Wu og kolleger. Denne teknik hjælper med at adskille "dybe signaler skjult i de spredte bølger" og andre kilder til fremmed seismisk støj, forklarede Wu.

Da holdet brugte teknikken på de kunstige seismogrammer, var de i stand til at hente en seismisk bølgefase kaldet ScS, som er en forskydning eller S-bølge, der rejser fra jordskælvets oprindelse mod månens kerne, før den reflekteres op til overfladen.

Wu sagde, at det er vigtigt at køre den slags eksperimenter, før man installerer et egentligt fiberarray på månen. "Før en opsendelse skal der være robuste numeriske simuleringer af bølgeudbredelse," sagde han. "Vi laver hjemmearbejdet for at finde ud af, om vi kan få dataene, og hvilke slags ting vi kan gøre med dataene."

Hvis forskerne kan finde måder at levere strøm og reparationer til et seismisk månefibernetværk, kunne arrayet fungere i årevis, bemærkede Wu. "På Jorden, hvis strømmen er i orden, kan vi holde den kørende i årtier."

I papiret foreslår forskerne, at det ville være muligt at kombinere DAS med andre foreslåede måneprogrammer, såsom at placere et radioteleskop, som allerede ville have brug for fiberoptiske kabler til at forbinde til en antenne, på den anden side af månen.

"Hvis vi kan kombinere disse projekter for at spare omkostningerne, ville det virkelig øge chancen for at få det til at ske og få maksimal videnskabelig effekt," sagde Wu.

Flere oplysninger: Wenbo Wu et al., Fiber Seismic Network on the Moon, Seismological Research Letters (2024). DOI:10.1785/0220230067

Journaloplysninger: Seismologiske forskningsbreve

Leveret af Seismological Society of America