Varje år sedan 1970 har astronomer, geologer, geofysiker och en mängd andra specialister samlats för att delta i Lunar and Planetary Science Conference (LPCS). Tillsammans sponsrat av Lunar and Planetary Institute (LPI) och NASA:s Johnson Space Center (JSC), är detta årliga evenemang en chans för forskare från hela världen att dela och presentera den senaste planetariska forskningen om jordens enda måne.
I år var en av de största uppmärksamhetsfångarna resultaten som presenterades tisdagen den 17 mars av ett team av studenter från Purdue University. Leds av en doktorand från universitetet Institutionen för geo-, atmosfärs- och planetvetenskap , visar studien de delade på att det kan finnas stabila lavarör på månen, sådana som är tillräckligt stora för att hysa hela städer.
Förutom att vara ett mål för framtida geologiska och geofysiska studier, kan förekomsten av dessa rör också vara en välsignelse för framtida mänskliga rymdutforskningar. I grund och botten, hävdade de, skulle sådana stora, stabila underjordiska tunnlar kunna ge ett hem för mänskliga bosättningar, skydda dem från skadlig kosmisk strålning och extrema temperaturer.
Hadley Rille, vid foten av Apenninerna som omger Mare Imbrium där Apollo 15 landade. Kredit: NASA/JAXA
Lavarör är naturliga ledningar som bildas av strömmande lava som rör sig under ytan som ett resultat av ett vulkanutbrott. När lavan rör sig svalnar dens yttre kanter och bildar en härdad, kanalliknande skorpa som lämnas kvar när lavaflödet upphör. Under en tid har månforskare spekulerat om huruvida lavaflöden inträffar på månen eller inte, vilket framgår av närvaron av slingrande rillor på ytan.
Slingrande rillor är smala fördjupningar i månens yta som liknar kanaler och har en krökt stig som slingrar sig över landskapet som en floddal. Man tror för närvarande att dessa rillar är resterna av kollapsade lavarör eller slocknade lavaflöden, vilket backas upp av det faktum att de vanligtvis börjar på platsen för en utdöd vulkan.
De som har observerats på månen tidigare varierar i storlek på upp till 10 kilometer i bredd och hundratals kilometer i längd. Vid den storleken skulle förekomsten av ett stabilt rör – det vill säga ett som inte hade kollapsat för att bilda en slingrande rille – vara tillräckligt stort för att rymma en större stad.
För sin studies skull undersökte Purdue-teamet om lavarör i samma skala kunde existera under jorden. Vad de fann var att stabiliteten hos ett lavarör berodde på ett antal variabler - inklusive bredd, taktjocklek och stresstillståndet hos den kylda lavan. forskarna modellerade också lavarör med väggar skapade av lava placerad i ett tjockt lager och med lava placerad i många tunna lager.
Insidan av ett teoretiskt månlavarör, med staden Philadelphia visad i skala. Kredit: Purdue University/David Blair
David Blair, en doktorand i Purdue's Institutionen för geo-, atmosfärs- och planetvetenskap , ledde studien som undersökte om tomma lavarör som är mer än 1 kilometer breda kunde förbli strukturellt stabila på månen.
'Vårt arbete är något unikt genom att vi har kombinerat talangerna hos människor från olika avdelningar på Purdue,' sa Blair till Universe Today via e-post. 'Med vägledning från Prof. Bobet (en civilingenjörsprofessor) har vi kunnat införliva en modern förståelse av bergmekanik i våra datormodeller av lavarör för att se hur de faktiskt kan misslyckas och gå sönder under månens gravitation.'
För forskningens skull konstruerade teamet ett antal modeller av lavarör i olika storlekar och med olika taktjocklekar för att testa stabiliteten. Detta bestod av att de kontrollerade varje modell för att se om den förutspådde fel någonstans i lavarörets tak.
'Vad vi hittade var överraskande', fortsatte Blair, 'eftersom mycket större lavarör är teoretiskt möjligt än vad man tidigare trott. Även med ett tak som bara är några meter tjockt kan lavarör en kilometer bred kanske bli stående. Anledningen till varför är dock lite mindre överraskande. Det sista arbetet vi kunde hitta i ämnet är frånApolloeran, och använde en mycket enklare approximation av lavarörets form - en platt balk för ett tak.
Mons Rümker, en utdöd vulkanisk formation på månens yta, avbildad av rymdfarkosten Apollo 15 i omloppsbana. Kredit: NASA
Studien han hänvisar till, ' Om ursprunget till månens slingrande rillar ', publicerades 1969 i tidskriftenModern geologi. I den framförde professorerna Greeley, Oberbeck och Quaide argumentet att slingrande riller var knuten till kollapsen av lavaflödesrör, och att stabila sådana fortfarande kan existera. När de beräknade för ett platt tak, fann deras arbete en maximal lavarörstorlek på strax under 400 m.
'Våra modeller använder en geometri som mer liknar det som ses i lavarör på jorden,' sa Blair, 'en sorts halvelliptisk form med ett välvt tak. Det faktum att ett välvt tak låter ett större lavarör stå kvar är vettigt: människor har vetat sedan antiken att välvda tak tillåter tunnlar eller broar att bli stående med bredare spännvidder.”
Purdue-studien bygger också på tidigare studier utförd av JAXA och NASA där bilder av 'takfönster' på månen - d.v.s. hål i månens yta - bekräftade närvaron av grottor med åtminstone några tiotals meter tvärs över. Data från NASA:s mångravity Recovery And Interior Laboratory (GRAIL) – som visade stora variationer i tjockleken på månskorpan tolkas fortfarande, men kan också vara en indikation på stora fördjupningar under ytan.
Som ett resultat är Blair övertygad om att deras arbete öppnar för nya och genomförbara förklaringar till många olika typer av observationer som har gjorts tidigare. Tidigare var det outgrundligt att stora, stabila grottor kunde finnas på månen. Men tack vare hans teams teoretiska studie är det nu känt att det är minst möjligt under de rätta förhållandena.
NASA:s mångravity Recovery And Interior Laboratory (GRAIL) uppdrag beräknade tjockleken på månskorpan. Kredit: NASA/JPL-Caltech/S. Miljkovic
En annan spännande aspekt av detta arbete är implikationerna det ger för framtida utforskning och till och med kolonisering på månen. Redan nu är frågan om skydd mot strålning en stor fråga. Med tanke på att månen inte har någon atmosfär, kommer kolonister och jordbruksverksamheter inte att ha någon naturlig avskärmning från kosmiska strålar.
'Geologiskt stabila lavarör skulle absolut vara en välsignelse för mänskliga rymdutforskningar,' kommenterade Blair. 'En sådan här grotta kan vara en riktigt idealisk plats för att bygga en månbas och generellt för att stödja en varaktig mänsklig närvaro på månen. Genom att gå under ytan till och med några meter, mildrar du plötsligt många av problemen med att försöka bebo månens yta.'
I grund och botten, förutom att skydda mot strålning, skulle en underjordisk bas kringgå problemen med mikrometeoriter och de extrema temperaturförändringar som är vanliga på månens yta. Dessutom kan stabila lavarör under ytan också göra uppgiften att trycksätta en bas för mänsklig bosättning lättare.
'Människor har studerat och pratat om alla dessa saker förut,' tillade Blair, 'men vårt arbete visar att den typen av möjligheter potentiellt kan finnas - nu måste vi bara hitta dem. Människor har bott i grottor sedan början, och det kan också vara vettigt på månen!'
Förutom Melosh, Blair och Bobet inkluderar teammedlemmarna Loic Chappaz och Rohan Sood, doktorander i School of Aeronautics and Astronautics ; Kathleen Howell, Purdues Hsu Lo-professor i flyg- och astronautisk teknik; Andy M. Freed, docent i jord-, atmosfär- och planetvetenskap; och Colleen Milbury, en postdoktorand forskningsassistent vid Institutionen för jord-, atmosfär- och planetvetenskap.
Vidare läsning: Purdue Nyheter