Månedynamos levetid forlænget med mindst 1 milliard år

Nye beviser fra ældgamle månesten tyder på, at en aktiv dynamo engang kværnede i månens smeltede metalliske kerne, generere et magnetfelt, der varede mindst 1 milliard år længere end tidligere antaget. Dynamoer er naturlige generatorer af magnetiske felter omkring terrestriske legemer, og drives af ledningsvæsker i mange stjerner og planeter. I et papir offentliggjort i dag i Videnskabens fremskridt , forskere fra MIT og Rutgers University rapporterer, at en månesten indsamlet af NASAs Apollo 15-mission udviser tegn på, at den blev dannet for 1 til 2,5 milliarder år siden i nærværelse af et relativt svagt magnetfelt på omkring 5 mikrotesla. Det er omkring 10 gange svagere end Jordens nuværende magnetfelt, men stadig 1, 000 gange større end felter i interplanetarisk rum i dag.

For flere år siden, de samme forskere identificerede 4 milliarder år gamle månesten, der blev dannet under et meget stærkere felt på omkring 100 mikrotesla, og de fastslog, at styrken af ​​dette felt faldt brat for omkring 3 milliarder år siden. På det tidspunkt, forskerne var usikre på, om månens dynamo – det beslægtede magnetfelt – døde ud kort derefter eller dvælede i en svækket tilstand, før den forsvandt fuldstændigt.

Resultaterne rapporteret i dag understøtter sidstnævnte scenarie:Efter at månens magnetfelt faldt, det varede ikke desto mindre i mindst en milliard år mere, eksisteret i i alt mindst 2 milliarder år.

Studie medforfatter Benjamin Weiss, professor i planetariske videnskaber i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber (EAPS), siger, at denne nye forlængede levetid hjælper med at udpege de fænomener, der drev månens dynamo. Specifikt, resultaterne rejser muligheden for to forskellige mekanismer – en, der kan have drevet en tidligere, meget stærkere dynamo, og et sekund, der holdt månens kerne simre i et meget langsommere kog mod slutningen af ​​dens levetid.

"Konceptet med et planetarisk magnetfelt produceret ved at bevæge flydende metal er en idé, der i virkeligheden kun er et par årtier gammel, " siger Weiss. "Hvad driver denne bevægelse på Jorden og andre kroppe, især på månen, er ikke velforstået. Vi kan finde ud af dette ved at kende månedynamoens levetid."

Weiss' medforfattere er hovedforfatteren Sonia Tikoo, en tidligere MIT kandidatstuderende, som nu er assisterende professor ved Rutgers; David Shuster fra University of California i Berkeley; Clément Suavet og Huapei Wang fra EAPS; og Timothy Grove, R.R. Schrock professor i geologi og associeret leder af EAPS.

Apollos glasagtige blokfløjter

Siden NASAs Apollo-astronauter bragte prøver tilbage fra månens overflade, videnskabsmænd har fundet ud af, at nogle af disse sten er nøjagtige "optagere" af månens gamle magnetfelt. Sådanne sten indeholder tusindvis af små korn, der, som kompasnåle, justeret i retning af gamle marker, da klipperne krystalliserede for evigheder siden. Sådanne korn kan give forskerne et mål for månens gamle feltstyrke.

Indtil for nylig, Weiss og andre havde ikke været i stand til at finde prøver, der var meget yngre end 3,2 milliarder år gamle, som nøjagtigt kunne registrere magnetiske felter. Som resultat, de havde kun været i stand til at måle styrken af ​​månens magnetfelt for mellem 3,2 og 4,2 milliarder år siden.

"Problemet er, der er meget få månesten, der er yngre end omkring 3 milliarder år gamle, fordi lige omkring dengang, månen kølede af, vulkanismen ophørte stort set, og sammen med det, dannelse af nye magmatiske bjergarter på månens overflade, " Weiss forklarer. "Så der var ingen unge prøver, vi kunne måle for at se, om der var en mark efter 3 milliarder år."

Der er, imidlertid, en lille klasse af klipper bragt tilbage fra Apollo-missionerne, der ikke blev dannet fra gamle måneudbrud, men fra asteroide-nedslag senere i månens historie. Disse klipper smeltede fra varmen fra sådanne stød og omkrystalliserede i orienteringer bestemt af månens magnetfelt.

Weiss og hans kolleger analyserede en sådan sten, kendt som Apollo 15 prøve 15498, som oprindeligt blev indsamlet 1. aug. 1971, fra den sydlige rand af månens klitkrater. Prøven er en blanding af mineraler og stenfragmenter, svejset sammen af ​​en glasagtig matrix, hvis korn bevarer registreringer af månens magnetfelt på det tidspunkt, hvor klippen blev samlet.

"Vi fandt ud af, at dette glasagtige materiale, der svejser ting sammen, har fremragende magnetiske optageegenskaber, " siger Weiss.

Bagning af sten

Holdet fastslog, at stenprøven var omkring 1 til 2,5 milliarder år gammel - meget yngre end de prøver, de tidligere analyserede. De udviklede en teknik til at tyde det ældgamle magnetfelt optaget i klippens glasagtige matrix ved først at måle klippens naturlige magnetiske egenskaber ved hjælp af et meget følsomt magnetometer.

De udsatte derefter klippen for et kendt magnetfelt i laboratoriet, og opvarmede klippen til tæt på de ekstreme temperaturer, hvor den oprindeligt blev dannet. De målte, hvordan klippens magnetisering ændrede sig, da de øgede den omgivende temperatur.

"Du kan se, hvor magnetiseret det bliver af at blive opvarmet i det kendte magnetfelt, så sammenligner du det felt med det naturlige magnetfelt, du målte på forhånd, og ud fra det kan du finde ud af, hvad den gamle feltstyrke var, " forklarer Weiss.

Forskerne var nødt til at foretage en væsentlig justering af eksperimentet for bedre at simulere det originale månemiljø, og især, dens atmosfære. Mens Jordens atmosfære indeholder omkring 20 procent ilt, månen har kun umærkelige spor af gassen. I samarbejde med Grove, Suavet byggede en skræddersyet, iltfattig ovn til at opvarme stenene i, forhindrer dem i at ruste, samtidig med at de simulerer det iltfrie miljø, hvor klipperne oprindeligt blev magnetiseret.

"På denne måde vi har endelig fået en nøjagtig måling af månefeltet, " siger Weiss.

Fra ismagere til lavalamper

Fra deres eksperimenter, forskerne fastslog, at for omkring 1 til 2,5 milliarder år siden, månen husede et relativt svagt magnetfelt, med en styrke på omkring 5 mikrotesla - to størrelsesordener svagere end månens felt for omkring 3 til 4 milliarder år siden. En sådan dramatisk dyk antyder for Weiss og hans kolleger, at månens dynamo kan have været drevet af to forskellige mekanismer.

Forskere har foreslået, at månens dynamo kan have været drevet af Jordens tyngdekraft. Tidligt i sin historie, månen kredsede meget tættere på jorden, og jordens tyngdekraft, i så tæt nærhed, kan have været stærk nok til at trække på og rotere månens stenede ydre. Månens flydende centrum kan være blevet trukket sammen med månens ydre skal, genererer et meget stærkt magnetfelt i processen.

Det menes, at månen kan have bevæget sig tilstrækkeligt langt væk fra Jorden for omkring 3 milliarder år siden, sådan, at den kraft, der var til rådighed for dynamoen ved denne mekanisme, blev utilstrækkelig. Dette er tilfældigvis lige omkring det tidspunkt, hvor månens magnetiske feltstyrke faldt. En anden mekanisme kan derefter have startet for at opretholde dette svækkede felt. Da månen bevægede sig væk fra jorden, dens kerne holdt sandsynligvis et lavt kog via en langsom afkølingsproces over mindst 1 milliard år.

"Når månen afkøles, dens kerne fungerer som en lavalampe - ting med lav massefylde rejser sig, fordi det er varmt, eller fordi dets sammensætning er forskellig fra den omgivende væskes, " siger Weiss. "Det er sådan, vi tror, ​​at Jordens dynamo fungerer, og det er, hvad vi foreslår, at den sene månedynamo også gjorde."

Forskerne planlægger at analysere endnu yngre månesten for at afgøre, hvornår dynamoen døde fuldstændigt.

"I dag er månens felt stort set nul, " siger Weiss. "Og vi ved nu, at den slukkede et sted mellem dannelsen af ​​denne klippe og i dag."