Od czasów Apollo naukowcy wiedzą, że Księżyc miał w przeszłości jakieś pole magnetyczne, ale teraz go nie ma. Nowe badania próbek księżycowych Apollo odpowiadają na niektóre z tych pytań, ale tworzą także wiele innych pytań, na które należy odpowiedzieć.
Próbki księżycowe zwrócone przez misje Apollo wykazują oznaki magnetyzacji. Skały są namagnesowane, gdy są ogrzewane, a następnie chłodzone w polu magnetycznym. Gdy schładzają się poniżej temperatury Curie (około 800 stopni C, w zależności od materiału), cząstki metaliczne w skale ustawiają się wzdłuż otaczających pól magnetycznych i zamarzają w tej pozycji, wytwarzając resztkowe namagnesowanie.
To namagnesowanie można również zmierzyć z kosmosu. Badania na orbitujących satelitach pokazują, że magnetyzacja Księżyca rozciąga się daleko poza regiony próbkowane przez astronautów Apollo. Cała ta magnetyzacja oznacza, że Księżyc musiał mieć pole magnetyczne w pewnym momencie swojej wczesnej historii.
Większość pól magnetycznych, które znamy w Układzie Słonecznym, jest generowanych przez dynama. Zasadniczo wiąże się to z konwekcją w metalowym ciekłym rdzeniu, który skutecznie porusza elektrony atomów metalu, wytwarzając prąd elektryczny. Prąd ten indukuje następnie pole magnetyczne. Uważa się, że sama konwekcja jest napędzana przez chłodzenie. Gdy zewnętrzny rdzeń stygnie, zimniejsze części zapadają się do wnętrza i pozwalają cieplejszym wewnętrznym sekcjom przesuwać się na zewnątrz w kierunku zewnętrznym.
Ponieważ Księżyc jest tak mały, oczekuje się, że dynamo magnetyczne napędzane chłodzeniem konwekcyjnym wyłączy się około 4,2 miliarda lat temu. Tak więc dowód magnetyzacji po tym czasie wymagałby albo 1) źródła energii innego niż chłodzenie, aby napędzać ruch ciekłego rdzenia, lub 2) zupełnie innego mechanizmu do tworzenia pól magnetycznych.
Eksperymenty laboratoryjne sugerują jedną z takich alternatywnych metod. Duże uderzenia w basen mogą wytwarzać krótkotrwałe pola magnetyczne na Księżycu, które byłyby rejestrowane w gorących materiałach wyrzucanych podczas zdarzenia uderzenia. W rzeczywistości niektóre obserwacje magnetyzacji znajdują się po przeciwnej stronie Księżyca (antypoda) od dużych basenów.
Jak więc stwierdzić, czy magnetyzacja w skale została utworzona przez dynamo rdzenia czy uderzenie? Cóż, pola magnetyczne indukowane uderzeniem trwają tylko około 1 dnia. Jeśli skała ochłodzi się bardzo powoli, nie zarejestruje tak krótkotrwałego pola magnetycznego, więc wszelki zachowany magnetyzm musiał zostać wytworzony przez dynama. Również skały, które brały udział w uderzeniach, wykazują oznaki szoku w ich minerałach.
Jedna próbka księżycowa, numer 76535, która wykazuje oznaki powolnego chłodzenia i braku efektów uderzenia, ma wyraźne namagnesowanie pozostałości. To, wraz z wiekiem próbki, sugeruje, że Księżyc miał płynny rdzeń i pole magnetyczne generowane przez dynamo 4,2 miliarda lat temu. Taki rdzeń dynamo jest zgodny z chłodzeniem konwekcyjnym. Ale co, jeśli są młodsze próbki?
Nowe badania opublikowane niedawno w Science przez Erin Shea i jej współpracowników sugerują, że może tak być. Pani Shea, absolwentka MIT, i jej zespół badali próbkę 10020, bazalt z 3,7 miliarda lat, bazalt sprowadzony przez astronautów Apollo 11. Wykazali, że próbka 10020 nie wykazuje dowodów na szok w swoich minerałach. Oszacowali, że próbka ochłodziła się dłużej niż 12 dni, co jest znacznie wolniejsze niż czas życia pola magnetycznego indukowanego uderzeniem. I odkryli, że próbka jest bardzo silnie namagnesowana.
Na podstawie badań Shea i jej koledzy stwierdzili, że Księżyc miał silne dynamo magnetyczne, a zatem ruchomy metaliczny rdzeń, około 3,7 miliarda lat temu. Jest to znacznie po upływie czasu, w którym dynamiczne chłodzenie konwekcyjne wyłączyłoby się. Nie jest jednak jasne, czy dynamo działało nieprzerwanie od 4,2 miliarda lat temu, czy też mechanizm, który poruszał płynnym rdzeniem był taki sam po 4,2 i 3,8 miliarda lat. Jakie są inne sposoby na utrzymanie płynnego rdzenia?
Ostatnie badania przeprowadzone przez zespół francuskich i belgijskich naukowców, kierowany przez dr Le Barsa, sugerują, że duże uderzenia mogą odblokować Księżyc z jego synchronicznego obrotu z Ziemią. To stworzyłoby pływy w płynnym jądrze, podobnie jak oceany na Ziemi. Te pływy rdzenia spowodowałyby znaczne zniekształcenia na granicy płaszcza-rdzenia, które mogłyby napędzać przepływy na dużą skalę w rdzeniu, tworząc dynamo.
W innym niedawnym badaniu dr Dwyer i współpracownicy zasugerowali, że precesja księżycowej osi obrotu może mieszać płynny rdzeń. Bliskość wczesnego Księżyca do Ziemi spowodowałaby, że oś obrotu Księżyca kołysałaby się. Ta precesja spowodowałaby różne ruchy w ciekłym rdzeniu i leżący na nim płaszcz stały, powodując długotrwałe (dłuższe niż 1 miliard lat) mechaniczne mieszanie rdzenia. Dr Dwyer i jego zespół szacują, że takie dynamo naturalnie wyłączyłoby się około 2,7 miliarda lat temu, gdy Księżyc oddalił się od Ziemi z czasem, zmniejszając jego wpływ grawitacyjny.
Niestety pole magnetyczne sugerowane w badaniu próbki 10020 nie pasuje do żadnej z tych możliwości. Oba te modele zapewniłyby pola magnetyczne, które są zbyt słabe, aby wytworzyć silne namagnesowanie zaobserwowane w próbce 10020. Trzeba będzie znaleźć inną metodę mobilizacji płynnego jądra Księżyca, aby wyjaśnić te nowe odkrycia.
Źródła:
Długo żyjące dynamo rdzenia księżycowego. Shea i in. Science 27, styczeń 2012, 453–456. doi: 10.1126 / science.1215359.
Długowieczne dynamo księżycowe napędzane ciągłym mieszaniem mechanicznym. Le Bars i in. Nature 479, listopad 2011, 212-214. doi: 10.1038 / nature10564.
Dynamo napędzane uderzeniem wczesnego Księżyca. Dwyer i in. Nature 479, listopad 2011, 215-218. doi: 10.1038 / nature10565.
