Maanswirl: het raadsel van de kronkelende lichtpatronen op de maan
Op sommige plekken op de maan lijkt het oppervlak beschilderd met lichte, kronkelende slierten, omringd door donkerder gebied. Deze patronen heten maanswirls (Engels: lunar swirls) en ze zien eruit alsof iemand met een lepel room door een kop koffie heeft geroerd: golvende, ineengedraaide vegen zonder duidelijk begin of eind. Het bekendste voorbeeld is Reiner Gamma, een gebied van ongeveer 70 kilometer breed in de Oceanus Procellarum, een van de grote donkere "zeeën" op de maan.
Het vreemde is dat deze patronen niet samenhangen met heuvels, kraters of andere hoogteverschillen. Vanuit een baan om de maan zie je geen reliëf dat de vorm verklaart; het lijkt puur een verschil in kleur en helderheid van de bovenste laag stof. Al decennia zoeken wetenschappers naar de oorzaak, en die zoektocht heeft geleid tot een van de hardnekkigste kleine mysteries van de maankunde: waarom raakt het maanoppervlak op sommige plekken niet "verweerd" zoals overal elders?
Wat is het precies?
Een maanswirl bestaat uit heldere, sterk gekromde banen die afwisselen met donkerder tussenstroken. De grootste exemplaren zijn tientallen tot enkele honderden kilometers lang. Naast Reiner Gamma zijn er vergelijkbare patronen bij Mare Ingenii (aan de achterzijde van de maan), Gerasimovich en Airy. Ze liggen altijd op vlak terrein, wat meteen aangeeft dat de verklaring niet in de geologie van kraters of lavastromen ligt, maar in iets anders.
Dat "iets anders" is ruimteweerverwering (space weathering): het proces waarbij het maanoppervlak, dat geen atmosfeer heeft om het te beschermen, voortdurend wordt gebombardeerd door micro-meteorieten en geladen deeltjes uit de zonnewind. Die zonnewind is een constante stroom protonen en elektronen die van de zon afkomt. Door deze bombardementen verandert de bovenste laag losse stof en gruis (de regolith) langzaam van kleur: vers materiaal is relatief licht, maar na duizenden tot miljoenen jaren blootstelling wordt het donkerder en roder, doordat er nanoscopisch kleine ijzerdeeltjes in ontstaan. Swirls zijn daardoor opvallend: ze blijven relatief licht, terwijl het omliggende gebied normaal verweerd en dus donkerder is. Het lijkt alsof de klok van de verwering daar is stilgezet, of veel trager loopt.
De sleutel tot een verklaring ligt in metingen van het magneetveld. De maan heeft vandaag geen wereldwijd magneetveld zoals de aarde, maar plaatselijk zijn er wel zwakke, geconcentreerde crustale magnetische anomalieën: stukjes maankorst die ooit gemagnetiseerd zijn geraakt, mogelijk toen de maan miljarden jaren geleden nog een actieve kern-dynamo had (een vloeibare, geleidende kern die door beweging een magneetveld opwekt, zoals de aardkern nu nog doet). Die fossiele magnetisatie is zwak in vergelijking met het aardmagneetveld, maar valt precies samen met de plekken waar swirls voorkomen.
Voor het verband tussen dat magneetveld en de lichte kleur bestaan grofweg drie hypothesen. De eerste, en meest gangbare, is de afschermingshypothese: het lokale magneetveld werkt als een mini-magnetosfeer die geladen zonnewinddeeltjes deels wegbuigt voordat ze het oppervlak raken, waardoor de weerverwering daar wordt vertraagd. De tweede is de stofsorteerhypothese: elektrische velden die samenhangen met het magnetisme zouden fijne stofdeeltjes elektrostatisch kunnen laten "zweven" (levitatie) en verplaatsen, zodat licht en donker materiaal ruimtelijk worden gescheiden. De derde, oudere hypothese van planeetwetenschappers Peter Schultz en Leonard Srnka uit 1980, stelt dat de inslag van een komeet het oppervlak lokaal heeft schoongeveegd en tegelijk, via de inslagplasma, het magnetische patroon heeft veroorzaakt; deze verklaring wordt tegenwoordig door de meeste onderzoekers als minder waarschijnlijk gezien, onder meer omdat swirls geen bijpassende inslagkraters vertonen.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoek naar maanswirls dient meerdere doelen die verder gaan dan alleen het verklaren van een mooi patroon op foto's. Ten eerste geven de magnetische anomalieën een venster op de vroege geschiedenis van de maan: als je begrijpt hoe en wanneer de maankorst gemagnetiseerd is geraakt, leer je iets over hoe lang en hoe sterk de maan ooit een eigen inwendige dynamo heeft gehad, en dus over hoe de maankern is afgekoeld.
Ten tweede is ruimteweerverwering een proces dat niet alleen op de maan speelt, maar op elk hemellichaam zonder dichte atmosfeer, zoals Mercurius en talloze asteroïden. Satellieten en telescopen bepalen de samenstelling van zulke oppervlakken vaak op basis van hun kleur en spectrum, en swirls laten zien dat lokale magnetische effecten die metingen kunnen vervormen. Beter begrip van swirls helpt dus bij het correct interpreteren van gegevens over andere planetenlichamen.
Ten derde is er een praktisch belang: maanstof (regolith) is voor toekomstige missies een bekend probleem, sinds de Apollo-astronauten al last hadden van het scherpe, kleverige stof dat aan pakken en apparatuur bleef plakken. Als elektrostatische krachten stof kunnen optillen en verplaatsen, zoals een van de swirl-hypothesen veronderstelt, is dat relevante kennis voor het ontwerp van toekomstige maanbases, zonnepanelen en ruimtepakken.
Voorbeelden uit de praktijk
Reiner Gamma is al sinds de Apollo-tijd (jaren zestig en zeventig van de vorige eeuw) een vertrouwd gezicht op maanfoto's en geldt als het schoolvoorbeeld waarmee vrijwel alle swirl-onderzoek begint.
De NASA-missie Lunar Prospector (1998-1999) bracht met een magnetometer aan boord voor het eerst gedetailleerd in kaart hoe crustale magnetische anomalieën samenvallen met de locaties van swirls, en legde daarmee de basis voor het huidige onderzoek.
De Japanse maanorbiter Kaguya (ook wel SELENE genoemd, actief van 2007 tot 2009) van de Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA leverde extra magnetische en plasmametingen die het beeld verder verfijnden.
De Indiase orbiter Chandrayaan-2 van ruimtevaartorganisatie ISRO, actief sinds 2019, draagt eveneens instrumenten die bijdragen aan de magnetische en mineralogische kartering van swirl-gebieden.
De NASA-orbiter Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), in een baan om de maan sinds 2009, gebruikte het instrument Diviner om de warmte-uitstraling en een signaal dat samenhangt met waterstof of hydratatie in de bovenste bodemlaag te meten; onderzoekers zoals Georgiana Kramer en collega's rapporteerden dat swirl-gebieden een afwijkend hydratatiesignaal laten zien, wat wordt gezien als steun voor de afschermingshypothese.
Voor de nabije toekomst is er de NASA-missie Lunar Vertex, onderdeel van het commerciële CLPS-programma (Commercial Lunar Payload Services), die een lander en een rover naar het gebied van Reiner Gamma zou moeten sturen om voor het eerst rechtstreeks, vanaf het oppervlak, het magneetveld, de plasmaomgeving en de bodemeigenschappen te meten. De exacte lanceerdatum en planning van dit soort CLPS-missies zijn met enige regelmaat verschoven, dus het is voorzichtig om die als "gepland, met mogelijke vertraging" te beschouwen totdat de missie daadwerkelijk vertrekt.
Hoe ver is de techniek?
Het is belangrijk te beseffen dat een maanswirl geen technologie is die ontwikkeld wordt, maar een natuurverschijnsel dat al decennia bestudeerd wordt met steeds betere instrumenten. Het verband tussen swirls en lokale magnetische anomalieën is inmiddels stevig gedocumenteerd en wordt door vrijwel niemand in het vakgebied betwist. Wat nog wél openstaat, is de precieze oorzaak: welke van de genoemde mechanismen (afscherming, stofsortering, of een combinatie) het zwaarst weegt, en of dat overal hetzelfde is.
Alle kennis tot nu toe komt uit een baan om de maan, via camera's, magnetometers en spectrometers op orbiters, of uit oude Apollo-foto's en monsters die niet specifiek van swirl-gebieden komen. Er is, voor zover bekend, nog geen enkele missie geland die daadwerkelijk ter plaatse metingen heeft gedaan op een swirl zelf. Dat maakt het moeilijk om de hypothesen definitief van elkaar te onderscheiden, omdat daarvoor gelijktijdige metingen nodig zijn van het magneetveld, de plasma- en zonnewindomgeving, én de precieze eigenschappen van het stof op de grond. Ook is het nabouwen van de omstandigheden op de maan (hoog vacuüm, straling, stof met specifieke elektrische eigenschappen) in een laboratorium op aarde lastig en slechts benaderend mogelijk. Een geslaagde landingsmissie zoals Lunar Vertex zou dan ook een belangrijke stap voorwaarts kunnen betekenen, maar zolang die nog niet heeft plaatsgevonden, blijft de oorzaak van maanswirls officieel onopgelost.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar maanswirls is verspreid over meerdere ruimtevaartorganisaties en universiteiten. In de Verenigde Staten speelt NASA een centrale rol, onder meer via het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL), dat betrokken is bij missieontwikkeling en magnetisch onderzoek, en via het Goddard Space Flight Center. Academische groepen aan onder meer de University of California in Santa Cruz en Brown University hebben belangrijke publicaties geleverd over de stofsorteer- en afschermingshypothesen, terwijl Arizona State University de camera (LROC) beheert die veel van de gedetailleerde beelden van swirls heeft gemaakt.
Buiten de Verenigde Staten draagt de Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA bij via de Kaguya-missie en vervolgonderzoek, en de Indiase ruimtevaartorganisatie ISRO via Chandrayaan-2. Voor toekomstige landingsmissies zoals Lunar Vertex werkt NASA samen met commerciële partners binnen het CLPS-programma, die de lander en het transport naar het maanoppervlak verzorgen; welke specifieke commerciële partij dit uiteindelijk uitvoert, kan in de loop van de tijd wijzigen, dus dat is bewust niet als vaststaand feit benoemd.