圖:Hernán Cañellas and Benjamin Weiss

傳統的指南針在月球幾乎毫無作用,因為現在的月球缺乏整體的磁場。但在數十億年前,月球的確存在磁場,而且可能比地球今日的磁場還要強大。一項研究認為,月球的磁場是由內部鐵核的結晶化所產生的。

曾經存在的磁場

科學家認為月球的磁場與地球的磁場類似,即月核中激烈的對流所產生,稱為發電機理論(dynamo theory)。不過,在某個時間點,這台發電機及其產生的磁場逐漸消失。現在,麻省理工學院(MIT)等研究機構的科學家發現月球發電機結束的時間點,大概是在十億年前。

根據新定出的時間點,科學家排除了某些關於在後期驅動月球發電機的機制之理論,並傾向其中一個特定的機制:月核的結晶化。因為月球內部的鐵核結晶化,液態核中的帶電流體被強烈攪拌,因而產生了發電機。

麻省理工學院地球、大氣及行星科學系(Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences)班傑明·懷斯教授(Benjamin Weiss)表示:「磁場是一種遍布整個太空的朦朧事物,就像一個看不見的力量。我們發現製造月球磁場的發電機似乎是在 15 到 10 億年前間的某時消失,而且此發電機似乎是以與地球類似的方式驅動。」

兩種發電機機制

在過去幾年間,懷斯教授的團隊及其他團隊發現,在距今 40 億年前的月球岩石上發現了強磁場的跡象,強度約為 100 微特斯拉(microtesla,μT)。相比之下,地球今日的磁場強度約為 50 μT。

在 2017 年,懷斯教授的團隊研究了一個從美國太空總署(NASA)阿波羅計畫(Apollo project)中採集的月球岩石樣本。該樣本約有 25 億年的歷史,並在岩石上發現了微弱的磁場,小於 10 μT。當時,研究團隊認為月球發電機或許由兩種機制所影響:第一個機制可能在約 40 億年前產生了較強的早期磁場;而之後,第一個機制被存在時間較長且維持著較弱磁場的第二個機制取代,並一直持續到至少 25 億年前。

懷斯教授表示:「關於月球發電機的動力機制有幾種說法,而現在的問題是,要如何找出到底是哪一種。結果顯示這些所有的能量來源都有不同的壽命。因此,若能找出發電機何時關閉,我們就可以辨別出月球發電機的機制,這就是此研究的目的。」

大多數阿波羅計畫的月球樣本都是距今 30 至 40 億年前的古老岩石。這些岩石最初是以岩漿的方式噴出至非常年輕的月球表面,而隨著岩漿冷卻,它們的微晶粒沿著月球的磁場方向排列。大部分的月球表面都覆蓋著這樣的岩石,自從噴發後,這些岩石就保持不變,保存著古代月球磁場的紀錄。

然而,磁場歷史小於 30 億年的月球岩石就比較難被找到,原因是當時大部分的月球火山運動已經停止。懷斯教授表示:「小於 30 億年的月球歷史一直是個謎,因為幾乎沒有岩石的紀錄。」

鑑定樣本

不過,在阿波羅計畫收集的月球岩石中,懷斯教授及其同事辨識出其中兩個樣本似乎在約 10 億年前遭受巨大的衝擊而融化,並再度熔接在一起,以致於它們古老的磁紀錄完全被消除了。

懷斯教授團隊將樣本帶回實驗室,首先分析了每個岩石的電子方向。懷斯教授稱這些電子為「小指南針」,它們可能沿著一個現有磁場的方向排列,或者在沒有磁場的情況下隨機排列。團隊在兩個樣本中都觀察到了後者的情況,也就是電子隨機排列,這表示岩石是在極度微弱或實質上零磁場的情況下形成,該磁場大小不超過 0.1 μT。

團隊接著使用放射性定年技術來測定兩個樣本的年紀,並對樣本進行了一系列的測試,以檢視它們是否確實是性能良好的磁紀錄器。也就是說,一旦它們因為強大的衝擊而再度被加熱時,這些樣本是否仍足夠敏銳,以致於即使是微弱的磁場也能被記錄下來。為了回答這個問題,研究人員將兩個樣本放入烘箱進行高溫處理,以有效消除它們的磁紀錄;然後,在冷卻岩石時,將岩石暴露於實驗室的人造磁場中。

實驗結果證實這兩個樣本的確是可靠的磁紀錄器,而團隊一開始測到的磁場強度 0.1 μT,精確代表 10 億年前月球極弱磁場的最大可能值。懷斯教授表示,0.1 μT 的磁場是如此微小,以致於很有可能月球發電機在那個時候就停止了。

實驗結果解讀

此項發現與月核結晶化的預測壽命吻合。所謂的月核結晶化是科學家針對月球發電機提出的一個機制,這個機制在月球後期的歷史當中可能產生了較弱但持續較久的磁場。懷斯教授表示,在月核結晶化之前,被稱為「進動」(precession)的機制可能驅動了較強但持續時間較短的發電機。所謂進動現象,是指諸如月球等星體的固體外殼,因為靠近一個例如地球的較大星體,而伴隨著地球重力而搖晃,而這個搖晃激起了月核中的流體。

大約在 40 億年前,剛誕生的月球可能比起現今更接近地球,更容易受到地球引力效應所影響。隨著月球慢慢遠離地球,進動的效果減少,使得發電機弱化,連帶影響到磁場。懷斯教授表示在大約 25 億年前,月核結晶化開始成為主要機制,讓月球發電機得以持續製造較微弱的磁場。隨著月核最終完全結晶化,磁場也慢慢完全消失。

接下來,研究團隊將測量月球古老磁場的方向,希望可以收集更多關於月球演化史的資訊。

參考資料:

  1. Chu, J., (2020, January 1). Scientists pin down timing of lunar dynamo’s demise. MIT News
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