I decennier har forskare ansett att jorden-månen-systemet bildades som ett resultat av en kollision mellan jorden och ett Mars-stort objekt för ungefär 4,5 miljarder år sedan. Känd som Giant Impact Hypothesis , förklarar denna teori varför jorden och månen är lika i struktur och sammansättning. Intressant nog har forskare också bestämt att månen under sin tidiga historia hade en magnetosfär - ungefär som jorden gör idag.
Men en ny studie ledd av forskare vid MIT (med stöd från NASA) indikerar att en gång kan månens magnetfält faktiskt ha varit starkare än jordens. De kunde också sätta strängare begränsningar på när detta fält försvann, och hävdade att det skulle ha hänt för ungefär 1 miljard år sedan. Dessa fynd har hjälpt till att lösa mysteriet om vilken mekanism som drev månens magnetfält över tiden.
Studien, som nyligen dök upp i tidskriftenVetenskapens framsteg, leddes av Saied Mighani, en experimentell bergfysiker med MIT Institutionen för jord-, atmosfärs- och planetvetenskap . Han fick sällskap av medlemmar i Berkeley Geochronology Center vid UC Berkeley och China University of Geosciences, med ytterligare stöd från den berömda EAPS-professorn, Dr. Benjamin Weiss.
För att sammanfatta är jordens magnetfält avgörande för livet som vi känner det. När inkommande solvindspartiklar når jorden avleds de av detta fält och bildar en bågchock framför jorden och magnetsvans bakom den. De återstående partiklarna avsätts på magnetpolerna där de interagerar med vår atmosfär, vilket orsakar Aurora ses längst norra och södra halvklotet.
Om det inte vore för detta magnetfält, skulle jordens atmosfär långsamt ha tagits bort av solvinden under loppet av miljarder år och gjort en kall, torr plats. Detta tros vara vad som hände på Mars, där en en gång tjockare atmosfär utarmades för mellan 4,2 och 3,7 miljarder år sedan och allt flytande vatten på dess yta antingen förlorades eller frös som ett resultat.
Under årens lopp har Weiss grupp hjälpt till att demonstrera genom studiet av månstenar att månen för ungefär 4 miljarder år sedan också hade ett starkt magnetfält på cirka 100 mikroteslas i styrka (medan jorden är omkring 50 mikroteslas idag). Under 2017 studerade de prover som samlats in av Apollo-astronauterna som daterades till cirka 2,5 miljarder år sedan och fann ett mycket svagare fält (mindre än 10 mikroteslas).
Med andra ord, månens magnetfält försvagades med en faktor fem för mellan 4 och 2,5 miljarder år sedan och försvann sedan helt för ungefär 1 miljard år sedan. Vid den tiden teoretiserade Weiss och hans kollegor att det kanske fanns två dynamomekanismer i månens inre som var ansvariga för denna förändring.
Mätningar av månstenar har visat att den antika månen genererade ett dynamomagnetfält i dess flytande metalliska kärna (innersta röda skalet). Kredit: Hernán Cañellas/Benjamin Weiss
Kort sagt, de hävdade att en första dynamoeffekt kunde ha genererat ett mycket starkare magnetfält för cirka 4 miljarder år sedan. Sedan, för 2,5 miljarder år sedan, ersattes den av en andra dynamo som var mer långlivad men som hade ett mycket svagare magnetfält. Som Dr Weiss förklarade i ett MIT Nyhetssläpp :
'Det finns flera idéer för vilka mekanismer som drev måndynamon, och frågan är, hur tar man reda på vilken som gjorde det? Det visar sig att alla dessa strömkällor har olika livslängder. Så om du kunde ta reda på när dynamo stängdes av, då skulle du kunna skilja mellan de mekanismer som har föreslagits för måndynamon. Det var syftet med denna nya tidning.'
Fram till nu har det varit en stor utmaning att få tag på månstenar som är mindre än 3 miljarder år gamla. Anledningen till detta har att göra med att vulkanaktiviteten, som var vanlig på månen för 4 miljarder år sedan, upphörde för ungefär 3 miljarder år sedan. Lyckligtvis kunde MIT-teamet identifiera två prover av månsten som erhölls av Apollo-astronauterna som skapades av ett slag för 1 miljard år sedan.
Medan dessa stenar smältes av stöten och sedan stelnade igen, och på så sätt raderade deras magnetiska rekord i processen, kunde teamet utföra tester på dem för att rekonstruera deras magnetiska signatur. Först analyserade de orienteringen av bergets elektroner, som Weiss beskriver som 'små kompasser' eftersom de antingen skulle rikta in sig i riktningen av ett befintligt magnetfält eller dyka upp i slumpmässiga orienteringar i frånvaro av ett.
Månstenar från Apollo 11-uppdraget. Kredit: NASA
I båda proverna observerade teamet det senare, vilket antydde att stenarna bildades i ett extremt svagt magnetfält på högst 0,1 mikroteslas (möjligen ingen alls). Detta följdes av en radiometrisk dateringsteknik som anpassades för denna studie av Weiss och David L. Shuster (en forskare från Berkeley Geochronology Center och medförfattare till studien). Dessa resultat bekräftade att stenarna verkligen var 1 miljard år gamla.
Slutligen genomförde teamet värmetester på proverna för att avgöra om de kunde ge ett bra magnetiskt rekord vid tidpunkten för nedslaget. Detta bestod av att placera båda proverna i en ugn och exponera dem för de typer av höga temperaturer som skulle ha skapats av en stöt. När de svalnade, exponerade de dem för ett artificiellt genererat magnetfält i laboratoriet och bekräftade att de kunde registrera det.
Dessa resultat bekräftar att den magnetiska styrkan som från början uppmättes av teamet (0,1 mikroteslas) är korrekt och att dynamo som driver månens magnetfält troligen hade tagit slut för 1 miljard år sedan. Som Weiss uttryckt :
'Det magnetiska fältet är den här dunkla saken som genomsyrar rymden, som ett osynligt kraftfält. Vi har visat att dynamo som producerade månens magnetfält dog någonstans mellan 1,5 och 1 miljard år sedan och verkar ha drivits på ett jordliknande sätt.'
Månens fotavtryck från Apollo-uppdragen. Kredit: NASA
Som nämnts hjälper denna studie också till att lösa debatten kring vad som drev måndynamon i dess senare skeden. Även om flera teorier har föreslagits, stämmer dessa nya rön överens med teorin om att kärnkristallisering är ansvarig. I grund och botten säger denna teori att månens inre kärna kristalliserades över tiden, vilket saktade ner flödet av elektriskt laddad vätska och stoppade dynamo.
Weiss antyder att före detta kan precession ha varit ansvarig för att driva en mycket starkare (men kortlivad) dynamo som skulle ha producerat det starka magnetfältet. Detta stämmer överens med det faktum att månen för 4 miljarder år sedan tros ha kretsat mycket närmare jorden. Detta skulle ha resulterat i att jordens gravitation hade en mycket större effekt på månen, vilket fick dess mantel att vingla och röra upp aktiviteten i kärnan.
När månen långsamt migrerade bort från jorden minskade effekten av precession och den magnetfältsproducerande dynamo skulle försvagas. För cirka 2,5 miljarder år sedan blev kristallisering den dominerande mekanismen genom vilken måndynamon fortsatte, och producerade ett svagare magnetfält som bestod tills den yttre kärnan slutligen kristalliserade för en miljard år sedan.
Studier som denna kan också hjälpa till att lösa mysteriet om varför planeter som Venus och Mars förlorade sina magnetfält (bidrar till katastrofala klimatförändringar) och hur jorden skulle kunna förlora sina egna en dag. Med tanke på dess betydelse för beboelighet kan en större förståelse för dynamoer och magnetfält också hjälpa till i sökandet efter beboeliga exoplaneter.
Vidare läsning: MIT Nyheter , Vetenskapens framsteg