Forskere fastlægger tidspunktet for månens dynamos død

Et konventionelt kompas ville være til lidt nytte på månen, som i dag mangler et globalt magnetfelt.

Men månen producerede et magnetfelt for milliarder af år siden, og det var sandsynligvis endnu stærkere end Jordens felt i dag. Forskere mener, at dette månefelt, som Jordens, blev genereret af en kraftfuld dynamo - kværnningen af ​​månens kerne. På et tidspunkt, denne dynamo, og det magnetiske felt, det genererede, stak ud.

Nu har videnskabsmænd fra MIT og andre steder fastlagt tidspunktet for månedynamoens afslutning, til omkring 1 milliard år siden. Resultaterne vises i dag i journalen Videnskabens fremskridt .

Den nye timing udelukker nogle teorier for, hvad der drev månedynamoen i dens senere stadier og favoriserer en bestemt mekanisme:kernekrystallisering. Da månens indre jernkerne krystalliserede, væskekernens elektrisk ladede væske blev omrørt kraftigt, producere dynamoen.

"Det magnetiske felt er denne tågede ting, der gennemsyrer rummet, som et usynligt kraftfelt, " siger Benjamin Weiss, professor i jord, atmosfærisk, og planetariske videnskaber ved MIT. "Vi har vist, at dynamoen, der producerede månens magnetfelt, døde et sted mellem 1,5 og 1 milliard år siden, og ser ud til at have været drevet på en jordlignende måde."

Weiss' medforfattere på papiret er co-lead forfattere Saied Mighani og Huapei Wang, samt Caue Borlina og Claire Nichols fra MIT, sammen med David Shuster fra University of California i Berkeley.

Duellerende dynamoteorier

I løbet af de sidste par år, Weiss' gruppe og andre har opdaget tegn på et stærkt magnetfelt, på omkring 100 mikroteslas, i månens klipper så gamle som 4 milliarder år. Til sammenligning, Jordens magnetfelt er i dag omkring 50 mikroteslas.

I 2017 Weiss' gruppe studerede en prøve indsamlet fra NASAs Apollo-projekt, og fandt spor af et meget svagere magnetfelt, under 10 mikroteslas, i en måneklippe bestemte de sig for at være omkring 2,5 milliarder år gamle. Deres tankegang på det tidspunkt var, at der måske var to mekanismer for månedynamoen på spil:Den første kunne have genereret en meget stærkere, tidligere magnetfelt for omkring 4 milliarder år siden, før de erstattes af et sekund, mere langvarig mekanisme, der holdt et meget svagere felt, til mindst 2,5 milliarder år siden.

"Der er flere ideer til, hvilke mekanismer der drev månedynamoen, og spørgsmålet er, hvordan finder du ud af, hvilken der gjorde det?" siger Weiss. "Det viser sig, at alle disse strømkilder har forskellige levetider. Så hvis du kunne finde ud af, hvornår dynamoen slukkede, så kunne man skelne mellem de mekanismer, der er blevet foreslået til månedynamoen. Det var formålet med dette nye blad."

De fleste af de magnetiske undersøgelser måneprøver fra Apollo-missionerne har været fra gamle klipper, dateres til omkring 3 milliarder til 4 milliarder år gamle. Disse er sten, der oprindeligt spyede ud som lava på en meget ung måneoverflade, og da de kølede af, deres mikroskopiske korn justeret i retning af månens magnetfelt. Meget af månens overflade er dækket af sådanne sten, som er forblevet uændret siden, bevare en registrering af det gamle magnetfelt.

Imidlertid, Månesten, hvis magnetiske historie begyndte for mindre end 3 milliarder år siden, har været meget sværere at finde, fordi det meste af månevulkanismen var ophørt på dette tidspunkt.

"De sidste 3 milliarder års månehistorie har været et mysterium, fordi der næsten ikke er nogen rock-rekord af det, " siger Weiss.

"Små kompasser"

Alligevel, han og hans kolleger identificerede to prøver af månesten, indsamlet af astronauter under Apollo-missionerne, som ser ud til at have lidt en massiv påvirkning for omkring 1 milliard år siden og som et resultat blev smeltet og svejset sammen på en sådan måde, at deres gamle magnetiske rekord næsten blev slettet.

Holdet tog prøverne tilbage til laboratoriet og analyserede først orienteringen af ​​hver stens elektroner, som Weiss beskriver som "små kompasser", der enten flugter i retning af et eksisterende magnetfelt eller vises i tilfældige orienteringer i mangel af et. For begge prøver, holdet observerede sidstnævnte:tilfældige konfigurationer af elektroner, hvilket tyder på, at klipperne er dannet i et ekstremt svagt til stort set nul magnetfelt, på ikke mere end 0,1 mikroteslas.

Holdet bestemte derefter alderen på begge prøver ved hjælp af en radiometrisk dateringsteknik, som Weiss og Shuster var i stand til at tilpasse til denne undersøgelse.

Holdet satte prøverne gennem et batteri af tests for at se, om de faktisk var gode magnetiske optagere. Med andre ord, når de blev genopvarmet af nogle massive påvirkninger, kunne de stadig have været følsomme nok til at optage selv et svagt magnetfelt på månen, hvis det eksisterede?

For at svare på dette, forskerne placerede begge prøver i en ovn og sprængte dem med høje temperaturer for effektivt at slette deres magnetiske rekord, udsatte derefter klipperne for et kunstigt genereret magnetfelt i laboratoriet, mens de afkøledes.

Resultaterne bekræftede, at de to prøver faktisk var pålidelige magnetiske optagere, og at feltstyrken, de oprindeligt målte, på 0,1 mikroteslas, nøjagtigt repræsenteret den maksimalt mulige værdi af månens ekstremt svage magnetfelt for 1 milliard år siden. Weiss siger, at et felt på 0,1 mikroteslas er så lavt, at det er sandsynligt, at månedynamoen sluttede på dette tidspunkt.

De nye resultater stemmer overens med den forudsagte levetid for kernekrystallisation, en foreslået mekanisme til månedynamoen, der kunne have genereret et svagt og langvarigt magnetfelt i den senere del af månens historie. Weiss siger, at før kernekrystallisation, en mekanisme kendt som præcession kan have drevet en meget stærkere, men kortere levetid dynamo. Præcession er et fænomen, hvorved den solide ydre skal af et legeme, såsom månen, i umiddelbar nærhed af en meget større krop som Jorden, vakler som reaktion på jordens tyngdekraft. Denne slingren oprører væsken i kernen, måden at suse en kop kaffe på, rører væsken op.

For omkring 4 milliarder år siden, spædbarnsmånen var sandsynligvis meget tættere på Jorden, end den er i dag, og meget mere modtagelige for planetens gravitationseffekter. Mens månen langsomt bevægede sig væk fra jorden, virkningen af ​​præcession faldt, svækkelse af dynamoen og magnetfeltet igen. Weiss siger, at det er sandsynligt, at for omkring 2,5 milliarder år siden, kernekrystallisation blev den dominerende mekanisme, hvorved månedynamoen fortsatte, producerer et svagere magnetfelt, der fortsatte med at forsvinde, da månens kerne til sidst krystalliserede fuldstændigt.

Gruppen kigger ved siden af ​​for at måle retningen af ​​månens gamle magnetfelt i håb om at få mere information om månens udvikling.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.