I decennier har forskare hävdat att Earth-Moon-systemet bildades som ett resultat av en kollision mellan Jorden och ett objekt av Mars-storlek för ungefär 4,5 miljarder år sedan. Denna teori, känd som Giant Impact Hypotesen, förklarar varför Jorden och månen liknar struktur och sammansättning. Intressant nog har forskare också bestämt att månen hade en magnetosfär under sin tidiga historia - ungefär som jorden gör idag.
En ny studie ledd av forskare vid MIT (med stöd från NASA) indikerar emellertid att Månens magnetfält på en gång faktiskt kan ha varit starkare än jordens. De kunde också sätta hårdare begränsningar när detta fält peter ut och hävdade att det skulle ha hänt för cirka 1 miljard år sedan. Dessa fynd har bidragit till att lösa mysteriet om vilken mekanism som drivde Månens magnetfält över tid.
Studien, som nyligen dök upp i tidskriften Vetenskapliga framsteg, leddes av Saied Mighani, en experimentell bergfysiker med MIT: s avdelning för jord, atmosfär och planeten. Han förenades 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 väsentligt för livet som vi känner till det. När inkommande solvindpartiklar når jorden, avböjs de av detta fält och bildar en bågschock framför jorden och magnetöglarna bakom den. De återstående partiklarna deponeras på magnetpolerna där de interagerar med vår atmosfär, vilket orsakar Auroraen som ses i den avlägsna norra och södra halvkärnan.
Om det inte var för detta magnetfält, skulle jordens atmosfär långsamt ha avlägsnats av solvind under miljarder år och gjort en kall, torr plats. Detta tros vara vad som hände på Mars, där en en gång tjockare atmosfär tappades mellan 4,2 och 3,7 miljarder år sedan och allt flytande vatten på ytan antingen försvann eller frös som ett resultat.
Under åren har Weiss 'grupp hjälpt till att demonstrera genom studien av månklippor att för ungefär 4 miljarder år sedan hade månen också ett starkt magnetfält med cirka 100 mikroteslas i styrka (medan jordens runt 50 mikroteslas idag). Under 2017 studerade de prover som samlats in av Apollo-astronauterna och daterade till cirka 2,5 miljarder år sedan och hittade ett mycket svagare fält (mindre än 10 mikroteslas).
Med andra ord, månens magnetfält försvagades med en faktor fem mellan 4 och 2,5 miljarder år sedan, och försvann sedan helt för 1 miljard år sedan. Då teoretiserade Weiss och hans kollegor att det kanske fanns två dynamo-mekanismer i Månens inre som var ansvariga för denna förändring.
Kort sagt hävdade de 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 upprätthöll ett mycket svagare magnetfält. Som Dr. Weiss förklarade i en MIT News release:
”Det finns flera idéer för vilka mekanismer som styrde måndynamot, och frågan är, hur får du reda på vilken som gjorde det? Det visar sig att alla dessa kraftkällor har olika livslängder. Så om du kunde ta reda på när dynamon stängdes av, så kan du skilja mellan mekanismerna som har föreslagits för måndynamot. Det var syftet med detta nya papper. ”
Hittills har det varit en stor utmaning att skaffa månklippor 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 månberg som erhölls av Apollo-astronauterna som skapades av en påverkan för 1 miljard år sedan.
Medan dessa stenar smältes av stöten och sedan stärktes, och därmed raderade deras magnetiska rekord i processen, kunde teamet utföra tester på dem för att rekonstruera sin magnetiska signatur. Först analyserade de orienteringen av bergens elektroner, som Weiss beskriver som "små kompasser" eftersom de antingen skulle anpassa sig i riktning mot ett befintligt magnetfält eller visas i slumpmässiga orienteringar i frånvaro av ett.
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 Berkeley Geochronology Center forskare och medförfattare till studien). Dessa resultat bekräftade att klipporna verkligen var 1 miljard år gamla.
Slutligen genomförde teamet värmeprövningar på proverna för att bestämma om de kunde ge en bra magnetisk post vid tidpunkten för påverkan. Detta bestod av att placera båda proverna i en ugn och utsätta dem för de typer av höga temperaturer som skulle ha skapats av en påverkan. När de svalnade exponerade de dem för ett konstgjort genererat magnetfält i laboratoriet och bekräftade att de kunde spela in det.
Dessa resultat bekräftar att den magnetiska styrkan som ursprungligen uppmättes av teamet (0,1 mikroteslas) är korrekt och att för 1 miljard år sedan hade dynamo som drivit månens magnetfält troligt slut. Som Weiss uttryckte:
”Det magnetiska fältet är den här nebulösa saken som genomsyrar rymden, som ett osynligt kraftfält. Vi har visat att dynamo som producerade månens magnetfält dött någonstans mellan 1,5 och 1 miljard år sedan och verkar ha drivits på ett jordliknande sätt. "
Som noterats hjälper denna studie också till att lösa debatten kring vad som drev månmynamo i dess senare stadier. Medan flera teorier har föreslagits, överensstämmer dessa nya fynd med teorin om att kärnkristallisation är ansvarig. I grund och botten säger denna teori att Månens inre kärna kristalliserade över tid, vilket saktar flödet av elektriskt laddad vätska och arresterade dynamot.
Weiss föreslår 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 överensstämmer med det faktum att månen tros ha för att ha gått runt närmare jorden för 4 miljarder år sedan. Detta skulle ha resulterat i att jordens tyngdkraft hade en mycket större effekt på månen, vilket fått dess mantel att vingla och väcka aktivitet i kärnan.
När månen långsamt migrerade bort från jorden minskade effekten av precession och den magnetfältproducerande dynamoen skulle försvagas. För cirka 2,5 miljarder år sedan blev kristallisationen den dominerande mekanismen genom vilken måndynamoen fortsatte och producerade ett svagare magnetfält som bestod tills den yttre kärnan slutligen kristalliserade för en miljard år sedan.
Studier som detta kan också hjälpa till att lösa mysteriet om varför planeter som Venus och Mars förlorade sina magnetfält (bidragande till kataklysmiska klimatförändringar) och hur Jorden kunde förlora sin egen en dag. Med tanke på hur viktigt det är för bana, kan en större förståelse för dynamos och magnetfält också hjälpa till i sökandet efter bebodda exoplaneter.
