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

Diep onder het oppervlak van de maan, verborgen voor het oog en onaangetast door menselijke handen, ligt een mysterie dat wetenschappers al decennia lang voor raadsels stelt. Hoewel we weten dat de maan een kern heeft die grotendeels uit ijzer bestaat, vergelijkbaar met de aarde, blijft de vraag of die kern volledig vloeibaar is of een vaste binnenkern bevat, een onderwerp van intens debat. Jarenlang suggereerden gegevens van de Apollo-missies, waarbij seismometers op het maanoppervlak waren geplaatst, dat er een vaste binnenkern zou kunnen bestaan. Echter, toen wetenschappers probeerden die seismische signalen te matchen met wat zij wisten over ijzer onder extreme druk, kwamen de cijfers niet overeen. De seismische golven die door de vermoedelijke binnenkern reisden, bewogen zich veel langzamer dan puur ijzer zou toestaan, wat velen deed twijfelen aan het bestaan van een vaste kern überhaupt. Deze discrepantie liet een gat achter in ons begrip van de geschiedenis van de maan, haar magnetische verleden en hoe zij in de loop van de tijd afkoelt. Om dit op te lossen, hadden onderzoekers een manier nodig om ijzer zo te laten gedragen dat het overeenkwam met de trage snelheden die door de Apollo-instrumenten werden geregistreerd.

Een team van wetenschappers heeft nu een oplossing voorgesteld die het recept van de maankern verandert. Door de hoge druk- en temperatuurcondities die diep in de maan worden aangetroffen in een laboratorium na te bootsen, ontdekten zij dat ijzer gemengd met een kleine hoeveelheid koolstof een verrassende transformatie ondergaat. Wanneer puur ijzer wordt samengeperst tot de drukken die in de maankern voorkomen, wordt verwacht dat het een vaste metaal is die seismische golven snel doorgeeft. Echter, de onderzoekers ontdekten dat wanneer ijzer wordt gelegeerd met slechts een fractie koolstof, het een structurele verschuiving ondergaat die ervoor zorgt dat seismische golven drastisch vertragen. Deze verandering vindt plaats zonder dat het ijzer van basis kristalvorm verandert, maar de interne arrangement van atomen verschuift net genoeg om de geluidssnelheid die erdoorheen reist te verminderen. Deze specifieke gedrag, die de onderzoekers een isostructurele faseovergang noemen, vindt plaats bij drukken tussen 4 en 5 gigapascal, een bereik dat perfect overeenkomt met de diepte van de maan binnenkern.

De experimenten omvatten het synthetiseren van ijzerstalen met koolstofgehaltes variërend van 0,2 tot 1,7 procent en het onderwerpen van deze aan drukken tot 7 gigapascal en temperaturen tot 1300 Kelvin. Met behulp van geavanceerde röntgendiffractie en akoestische snelheidsmetingen observeerde het team dat naarmate de druk toenam, de snelheid van de compressiegolven met ongeveer 1 kilometer per seconde daalde. Deze daling bracht de geluidssnelheid in de ijzer-koolstoflegering terug naar ongeveer 4 tot 4,5 kilometer per seconde, een figuur die bijna perfect overeenkomt met de seismische gegevens verzameld tijdens het Apollo-tijdperk. De onderzoekers vonden ook dat deze transitie reversibel is en voorkomt in zowel de lichaamscentrische kubische als de vlakcentrische kubische vormen van ijzer, wat suggereert dat het een robuust kenmerk is van ijzer-koolstofmengsels onder deze condities. Cruciaal is dat de studie de mogelijkheid uitsloot dat de trage snelheden werden veroorzaakt door de aanwezigheid van zwavel of nikkel, elementen die voorheen werden beschouwd als de belangrijkste lichte elementen in de maankern, aangezien hun effecten niet overeenkwamen met de geobserveerde seismische gegevens.

Deze ontdekking suggereert dat de binnenkern van de maan niet uit puur ijzer bestaat, maar uit een legering van ijzer en koolstof. De aanwezigheid van koolstof verklaart waarom de seismische golven zo langzaam bewegen, wat het decennia oude conflict tussen mineralogische fysica en seismologie oplost. De bevindingen stellen wetenschappers ook in staat om de temperatuur van de maankern nauwkeuriger in te schatten. Omdat de geluidssnelheid in deze ijzer-koolstofmengsel gevoelig is voor hitte, wijzen de gegevens erop dat de temperatuur van de binnenkern waarschijnlijk onder de 1500 Kelvin ligt. Als de kern aanzienlijk heter zou zijn, zouden de seismische snelheden nog lager zijn dan wat is waargenomen. Deze temperatuurbeperking helpt modellen te verfijnen van hoe de maan sinds haar vorming is afgekoeld en geëvolueerd. Bovendien ondersteunt de studie het idee dat koolstof overvloedig genoeg aanwezig is in de maankern om deze transitie aan te drijven, een conclusie die wordt ondersteund door berekeningen van hoe koolstof zich verdeelt tussen de vaste binnenkern en de vloeibare buitenkern van de maan.

De implicaties van dit werk strekken zich uit voorbij enkel de structuur van de maan. Door het bestaan van een vaste binnenkern bestaande uit een ijzer-koolstoflegering te bevestigen, biedt de studie een nieuw fundament voor het begrijpen van de thermische geschiedenis en het oude magnetische veld van de maan. De aanwezigheid van een vaste binnenkern is een belangrijke drijfveer voor het dynamo-effect dat magnetische velden genereert, en het kennen van de samenstelling helpt verklaren waarom het magnetische veld van de maan in de loop van de tijd vervaagde. De onderzoekers benadrukken dat hun resultaten gebaseerd zijn op directe metingen van akoestische snelheden en röntgendiffractiepatronen, wat een concrete fysieke verklaring biedt voor de seismische anomalieën die de wetenschappelijke gemeenschap zo lang hebben verward. Hoewel de exacte verdeling van koolstof in de maaninterieur een onderwerp blijft voor verdere studie, wijst het bewijs dat hier gepresenteerd wordt sterk in de richting van een koolstofrijke, vaste binnenkern als het ontbrekende puzzelstukje van de maan. Deze vondst vult niet alleen een gat in een model; het herschrijft de fysieke beschrijving van het hart van de maan, waardoor een theoretische mogelijkheid verandert in een gemeten realiteit.