Przez dziesięciolecia naukowcy utrzymywali, że układ Ziemia-Księżyc powstał w wyniku zderzenia Ziemi z obiektem wielkości Marsa około 4,5 miliarda lat temu. Teoria ta, znana jako hipoteza gigantycznego uderzenia, wyjaśnia, dlaczego Ziemia i Księżyc mają podobną budowę i skład. Co ciekawe, naukowcy ustalili również, że podczas swojej wczesnej historii Księżyc miał magnetosferę - podobnie jak Ziemia.
Jednak nowe badanie prowadzone przez naukowców z MIT (przy wsparciu NASA) wskazuje, że kiedyś pole magnetyczne Księżyca mogło być rzeczywiście silniejsze niż Ziemskie. Byli również w stanie nałożyć surowsze ograniczenia, kiedy to pole wygasło, twierdząc, że miałoby to miejsce około 1 miliarda lat temu. Odkrycia te pomogły rozwiązać zagadkę tego, jaki mechanizm zasilał pole magnetyczne Księżyca w czasie.
Badanie, które niedawno ukazało się w czasopiśmie Postępy w nauce, był prowadzony przez Saieda Mighaniego, eksperymentalnego fizyka rocka z Departamentu Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetarnej MIT. Dołączyli do niego członkowie Berkeley Geochronology Center na UC Berkeley i China University of Geosciences, przy dodatkowym wsparciu ze strony słynnego profesora EAPS, dr Benjamina Weissa.
Reasumując, pole magnetyczne Ziemi jest niezbędne dla życia, jakie znamy. Kiedy nadchodzące cząstki wiatru słonecznego docierają do Ziemi, są one odchylane przez to pole i tworzą wstrząs dziobowy przed Ziemią, a za nią magnetotail. Pozostałe cząstki osadzają się na biegunach magnetycznych, gdzie oddziałują z naszą atmosferą, co powoduje, że zorza polarna jest widoczna na dalekiej północnej i południowej półkuli.
Gdyby nie to pole magnetyczne, ziemska atmosfera byłaby powoli usuwana przez wiatr słoneczny przez miliardy lat i zamieniłaby się w zimne, suche miejsce. Uważa się, że dzieje się tak na Marsie, gdzie niegdyś grubsza atmosfera została wyczerpana między 4,2 a 3,7 miliarda lat temu, a cała płynna woda na jej powierzchni została w wyniku tego utracona lub zamarzła.
Przez lata grupa Weissa pomogła wykazać poprzez badanie skał księżycowych, które około 4 miliardy lat temu Księżyc miał również silne pole magnetyczne o sile około 100 mikroteslas (podczas gdy Ziemia ma dziś około 50 mikroteslas). W 2017 r. Badali próbki zebrane przez astronautów Apollo, które datowano na około 2,5 miliarda lat temu i odkryli znacznie słabsze pole (mniej niż 10 mikroteslas).
Innymi słowy, pole magnetyczne Księżyca osłabło pięciokrotnie między 4 a 2,5 miliarda lat temu, a następnie całkowicie zniknęło około 1 miliarda lat temu. W tym czasie Weiss i jego koledzy wysunęli teorię, że być może we wnętrzu Księżyca były dwa mechanizmy dynamo, które były odpowiedzialne za tę zmianę.
Krótko mówiąc, argumentowali, że pierwszy efekt dynamo mógł wygenerować znacznie silniejsze pole magnetyczne około 4 miliardów lat temu. Następnie, 2,5 miliarda lat temu, zastąpiono go drugim dynamem, który był bardziej długowieczny, ale utrzymywał znacznie słabsze pole magnetyczne. Jak wyjaśnił dr Weiss w komunikacie MIT News:
„Istnieje kilka pomysłów na to, jakie mechanizmy napędzały dynamo księżycowe, a pytanie brzmi: jak dowiedzieć się, który to zrobił? Okazuje się, że wszystkie te źródła zasilania mają różne czasy życia. Więc jeśli możesz dowiedzieć się, kiedy dynamo się wyłączyło, możesz rozróżnić mechanizmy, które zostały zaproponowane dla dynamo księżycowego. Taki był cel tego nowego artykułu. ”
Do tej pory uzyskanie księżycowych skał mających mniej niż 3 miliardy lat było poważnym wyzwaniem. Powodem tego jest fakt, że aktywność wulkaniczna, która była powszechna na Księżycu 4 miliardy lat temu, ustała około 3 miliardy lat temu. Na szczęście zespół MIT był w stanie zidentyfikować dwie próbki skały księżycowej uzyskane przez astronautów Apollo, które powstały w wyniku zderzenia 1 miliard lat temu.
Podczas gdy skały te zostały stopione przez uderzenie, a następnie ponownie zestalone, usuwając w ten sposób ich zapis magnetyczny, zespół był w stanie przeprowadzić na nich testy w celu zrekonstruowania ich sygnatury magnetycznej. Najpierw przeanalizowali orientację elektronów skały, którą Weiss opisuje jako „małe kompasy”, ponieważ albo wyrównaliby się w kierunku istniejącego pola magnetycznego, albo pojawiali się w przypadkowych orientacjach pod nieobecność jednego.
W obu próbach zespół zaobserwował ten ostatni, co sugeruje, że skały powstały w niezwykle słabym polu magnetycznym nie większym niż 0,1 mikroteslasu (być może wcale nie). Następnie Weiss i David L. Shuster (badacz z Berkeley Geochronology Center i współautor badania) dostosowali technikę datowania radiometrycznego. Wyniki te potwierdziły, że skały miały rzeczywiście 1 miliard lat.
Na koniec zespół przeprowadził testy cieplne próbek, aby ustalić, czy mogą one zapewnić dobry zapis magnetyczny w momencie uderzenia. Polegało to na umieszczeniu obu próbek w piecu i wystawieniu ich na działanie wysokich temperatur, które powstałyby na skutek uderzenia. Podczas schładzania wystawili je na działanie sztucznie wytwarzanego pola magnetycznego w laboratorium i potwierdzili, że byli w stanie go zarejestrować.
Wyniki te potwierdzają, że siła magnetyczna początkowo zmierzona przez zespół (0,1 mikroteslas) jest dokładna i że przed 1 miliardem lat dynamo zasilające pole magnetyczne Księżyca prawdopodobnie się skończyło. Jak powiedział Weiss:
„Pole magnetyczne jest tą mglistą rzeczą, która przenika przestrzeń, jak niewidzialne pole siłowe. Pokazaliśmy, że dynamo, które wytwarzało księżycowe pole magnetyczne, zgasło gdzieś między 1,5 a 1 miliardem lat temu i wydaje się być zasilane w sposób podobny do Ziemi ”.
Jak wspomniano, badanie to pomaga również rozwiązać debatę dotyczącą tego, co napędzało dynamo księżycowe w jego późniejszych stadiach. Chociaż zasugerowano wiele teorii, te nowe odkrycia są zgodne z teorią, że odpowiedzialna jest krystalizacja rdzenia. Zasadniczo, ta teoria mówi, że wewnętrzny rdzeń Księżyca krystalizował się w czasie, spowalniając przepływ elektrycznie naładowanego płynu i zatrzymując dynama.
Weiss sugeruje, że przed tym precesja mogła być odpowiedzialna za zasilenie znacznie silniejszego (ale krótkotrwałego) dynamo, które wytworzyłoby silne pole magnetyczne. Jest to zgodne z faktem, że 4 miliardy lat temu Księżyc prawdopodobnie krążył znacznie bliżej Ziemi. Spowodowałoby to, że grawitacja Ziemi miałaby znacznie większy wpływ na Księżyc, powodując, że jego płaszcz kołysze się i pobudza aktywność w jądrze.
Gdy Księżyc powoli migrował z Ziemi, efekt precesji zmniejszył się, a dynamo wytwarzające pole magnetyczne osłabłoby. Około 2,5 miliarda lat temu krystalizacja stała się dominującym mechanizmem, dzięki któremu dynamo księżycowe trwało, wytwarzając słabsze pole magnetyczne, które utrzymywało się, dopóki zewnętrzny rdzeń ostatecznie nie skrystalizował się miliard lat temu.
Takie badania mogą również pomóc rozwiązać zagadkę, dlaczego planety takie jak Wenus i Mars utraciły swoje pola magnetyczne (przyczyniając się do kataklizmicznych zmian klimatu) i jak Ziemia może kiedyś utracić własne. Biorąc pod uwagę jego znaczenie dla zamieszkiwania, lepsze zrozumienie dynamo i pól magnetycznych mogłoby również pomóc w poszukiwaniu egzoplanet nadających się do zamieszkania.
