Carbon-driven iron transition points to a solid lunar inner core

चंद्रमा की सतह के नीचे गहराई में, दृष्टि से ओझल और मानवीय स्पर्श से अछूता, एक ऐसा रहस्य छिपा है जिसने दशकों से वैज्ञानिकों को उलझा रखा है। हालांकि हम जानते हैं कि चंद्रमा का कोर मुख्य रूप से लोहे से बना है, ठीक पृथ्वी की तरह, लेकिन प्रश्न यह रहा है कि क्या वह कोर पूरी तरह से तरल है या उसमें एक ठोस आंतरिक भाग मौजूद है, यह लंबे समय से गहन बहस का विषय रहा है। वर्षों तक, अपोलो मिशनों से प्राप्त डेटा ने, जिन्होंने चंद्र सतह पर सीस्मोमीटर स्थापित किए थे, यह संकेत दिया था कि एक ठोस आंतरिक कोर मौजूद हो सकता है। हालाँकि, जब वैज्ञानिकों ने उन सिस्मिक संकेतों (भूकंपीय तरंगों) को लोहे के उस व्यवहार से मिलाने की कोशिश की जो अत्यधिक दबाव में होता है, तो आंकड़े मेल नहीं खा रहे थे। चंद्रमा के संदिग्ध आंतरिक कोर से होकर गुजरने वाली भूकंपीय तरंगें शुद्ध लोहे की तुलना में बहुत धीमी गति से चल रही थीं, जिससे कई लोगों को एक ठोस केंद्र के अस्तित्व पर ही संदेह होने लगा। यह विसंगति चंद्रमा के इतिहास, इसके चुंबकीय अतीत और समय के साथ इसके ठंडा होने की प्रक्रिया के बारे में हमारी समझ में एक रिक्तता छोड़ गई थी। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं को एक ऐसा तरीका खोजने की आवश्यकता थी जिससे लोहे को इस तरह व्यवहार करने के लिए प्रेरित किया जा सके जैसा कि अपोलो के उपकरणों द्वारा दर्ज की गई धीमी गति से मेल खाता हो।

वैज्ञानिकों की एक टीम ने अब एक समाधान प्रस्तावित किया है जो चंद्रमा के कोर की 'रेसिपी' (संरचना) को बदल देता है। चंद्रमा के कोर के भीतर पाए जाने वाले उच्च दबाव और उच्च तापमान की प्रयोगशाला में पुनर्रचना करके, उन्होंने खोजा कि कार्बन की एक छोटी मात्रा के साथ मिश्रित लोहा एक आश्चर्यजनक परिवर्तन से गुजरता है। जब शुद्ध लोहे को चंद्रमा के कोर में पाए जाने वाले दबाव के तहत दबाया जाता है, तो यह एक ठोस धातु होने की अपेक्षा की जाती है जो भूकंपीय तरंगों को तेजी से प्रसारित करती है। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि जब लोहे को थोड़े से कार्बन के साथ मिश्रित (अलॉय) किया जाता है, तो यह एक संरचनात्मक बदलाव से गुजरता है जिसके कारण भूकंपीय तरंगें नाटकीय रूप रूप से धीमी हो जाती हैं। यह परिवर्तन लोहे के मूल क्रिस्टल आकार को बदले बिना होता है, लेकिन परमाणुओं की आंतरिक व्यवस्था इतनी बदल जाती है कि ध्वनि की गति कम हो जाती है। यह विशिष्ट व्यवहार, जिसे शोधकर्ता 'आइसोस्ट्रक्चरल फेज ट्रांजिशन' (isostructural phase transition) कहते हैं, 4 और 5 गीगापास्कल के बीच के दबाव पर होता है, जो चंद्रमा के आंतरिक कोर की गहराई से पूरी तरह मेल खाता है।

प्रयोगों में कार्बन की 0.2 से 1.7 प्रतिशत मात्रा वाले लोहे के नमूनों का संश्लेषण किया गया और उन्हें 7 गीगापास्कल तक के दबाव और 1300 केल्विन तक के तापमान के अधीन किया गया। उन्नत एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) और ध्वनिक वेग (acoustic velocity) मापन का उपयोग करते हुए, टीम ने देखा कि जैसे-जैसे दबाव बढ़ा, संपीड़न तरंगों (compressional waves) की गति लगभग 1 किलोमीटर प्रति सेकंड कम हो गई। इस गिरावट ने लोहे-कार्बन मिश्र धातु में ध्वनि की गति को लगभग 4 से 4.5 किलोमीटर प्रति सेकंड तक कम कर दिया, जो अपोलो युग से एकत्र किए गए सिस्मिक डेटा के साथ लगभग पूरी तरह से मेल खाता है। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि यह संक्रमण प्रतिवर्ती (reversible) है और लोहे के बॉडी-सेंटर्ड क्यूबिक (body-centered cubic) और फेस-सेंटर्ड क्यूबिक (face-centered cubic) दोनों रूपों में होता है, जो यह दर्शाता है कि यह इन परिस्थितियों में लोहे-कार्बन मिश्रण की एक सुदृढ़ विशेषता है। महत्वपूर्ण रूप से, अध्ययन ने इस विचार को खारिज कर दिया कि धीमी गति सल्फर या निकेल की उपस्थिति के कारण थी—वे तत्व जिन्हें पहले चंद्र कोर के मुख्य हल्के तत्व माना जाता था—क्योंकि उनका प्रभाव देखे गए सिस्मिक डेटा से मेल नहीं खाता था।

यह खोज बताती है कि चंद्रमा का आंतरिक कोर शुद्ध लोहा नहीं है, बल्कि लोहा और कार्बन का एक मिश्र धातु (अलॉय) है। कार्बन की उपस्थिति यह स्पष्ट करती है कि भूकंपीय तरंगें इतनी धीमी गति से क्यों चलती हैं, जिससे खनिज भौतिकी (mineral physics) और भूकंप विज्ञान (seismology) के बीच दशकों पुराने संघर्ष को सुलझाया जा सका है। ये निष्कर्ष वैज्ञानिकों को चंद्रमा के कोर के तापमान का अधिक सटीक अनुमान लगाने की अनुमति भी देते हैं। चूंकि इस लोहे-कार्बन मिश्रण में ध्वनि की गति ऊष्मा के प्रति संवेदनशील होती है, इसलिए डेटा इंगित करता है कि आंतरिक कोर का तापमान संभवतः 1500 केल्विन से कम है। यदि कोर काफी गर्म होता, तो भूकंपीय गति देखी गई गति से भी कम होती। यह तापमान संबंधी सीमा चंद्रमा के निर्माण के बाद से इसके ठंडे होने और विकसित होने के मॉडल को परिष्कृत करने में मदद करती है। इसके अलावा, अध्ययन इस विचार का समर्थन करता है कि कार्बन चंद्रमा के कोर में इतना प्रचुर मात्रा में है कि वह इस संक्रमण को संचालित कर सके, जो कि चंद्रमा के ठोस आंतरिक कोर और तरल बाहरी कोर के बीच कार्बन के वितरण की गणनाओं द्वारा समर्थित है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल चंद्रमा की संरचना तक ही सीमित नहीं हैं। एक लोहा-कार्बन मिश्र धातु से बने ठोस आंतरिक कोर के अस्तित्व की पुष्टि करके, यह अध्ययन चंद्रमा के तापीय इतिहास और इसके प्राचीन चुंबकीय क्षेत्र को समझने के लिए एक नया आधार प्रदान करता है। एक ठोस आंतरिक कोर का होना चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने वाले 'डायनमो प्रभाव' (dynamo effect) के लिए एक प्रमुख चालक है, और इसके संयोजन को जानना यह समझाने में मदद करता है कि चंद्रमा का चुंबकीय क्षेत्र समय के साथ क्यों फीका पड़ गया। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि उनके परिणाम ध्वनिक वेग और एक्स-रे विवर्तन पैटर्न के प्रत्यक्ष मापन पर आधारित हैं, जो उन सिस्मिक विसंगतियों के लिए एक ठोस भौतिक स्पष्टीकरण प्रदान करते हैं जिन्होंने लंबे समय से वैज्ञानिक समुदाय को भ्रमित किया है। हालांकि चंद्रमा के आंतरिक भाग में कार्बन का सटीक वितरण आगे के अध्ययन का विषय बना हुआ है, यहाँ प्रस्तुत साक्ष्य एक कार्बन-समृद्ध, ठोस आंतरिक कोर की ओर मजबूती से संकेत करते हैं, जो चंद्र पहेली का लुप्त हिस्सा है। यह खोज केवल एक मॉडल के अंतराल को नहीं भरती है; यह चंद्रमा के हृदय के भौतिक विवरण को फिर से लिखती है, जिससे एक सैद्धांतिक संभावना एक मापी गई वास्तविकता में बदल जाती है।