I flere tiår har forskere holdt fast at Earth-Moon-systemet ble dannet som et resultat av en kollisjon mellom Jorden og en Mars-størrelse gjenstand for omtrent 4,5 milliarder år siden. Denne teorien, kjent som Giant Impact Hypothesis, forklarer hvorfor Jorden og Månen er like i struktur og sammensetning. Interessant nok har forskere også bestemt at Månen i sin tidlige historie hadde en magnetosfære - omtrent som Jorden gjør i dag.
En ny studie ledet av forskere ved MIT (med støtte gitt av NASA) indikerer imidlertid at Månens magnetfelt på en gang faktisk har vært sterkere enn Jordens. De var også i stand til å sette strammere begrensninger når dette feltet traff ut og hevdet at det ville ha skjedd for rundt 1 milliard år siden. Disse funnene har bidratt til å løse mysteriet om hvilken mekanisme som drev Månens magnetfelt over tid.
Studien, som nylig dukket opp i tidsskriftet Vitenskapelige fremskritt, ble ledet av Saied Mighani, en eksperimentell bergfysiker med MITs Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences. Han fikk selskap av medlemmer av Berkeley Geochronology Center ved UC Berkeley og China University of Geosciences, med ytterligere støtte gitt av den berømte EAPS-professoren, Dr. Benjamin Weiss.
For å oppsummere er jordas magnetfelt essensielt for livet slik vi kjenner det. Når innkommende solvindpartikler når jorden, blir de avbøyd av dette feltet og danner et baugsjokk foran Jorden og magnethaler bak den. De resterende partiklene blir avsatt på magnetpolene der de samhandler med atmosfæren vår, noe som får Auroraene til å se i den nordlige og sørlige halvkule.
Hvis det ikke var for dette magnetfeltet, ville jordas atmosfære sakte blitt fjernet av solvind i løpet av milliarder av år og gjort et kaldt, tørt sted. Dette antas å være det som skjedde på Mars, der en en gang tykkere atmosfære ble tømt for mellom 4,2 og 3,7 milliarder år siden og alt det flytende vannet på overflaten ble enten mistet eller frøs som et resultat.
Gjennom årene har Weiss 'gruppe bidratt til å demonstrere gjennom studien av månebergarter at for omtrent 4 milliarder år siden hadde månen også et sterkt magnetfelt på rundt 100 mikroteslas i styrke (mens jorda er rundt 50 mikroteslas i dag). I 2017 studerte de prøver samlet av Apollo-astronautene som ble datert til rundt 2,5 milliarder år siden og fant et mye svakere felt (mindre enn 10 mikroteslas).
Med andre ord, Månens magnetfelt svekket med en faktor på fem for 4 til 2,5 milliarder år siden, og forsvant deretter helt for rundt 1 milliard år siden. Den gang teoretiserte Weiss og kollegene at det kanskje var to dynamo-mekanismer i Månens indre som var ansvarlige for denne endringen.
Kort sagt argumenterte de for at en første dynamoeffekt kunne ha generert et mye sterkere magnetfelt for rundt 4 milliarder år siden. Så, for 2,5 milliarder år siden, ble den erstattet av en andre dynamo som var mer lang levetid, men opprettholdt et mye svakere magnetfelt. Som Dr. Weiss forklarte i en MIT News-utgivelse:
”Det er flere ideer for hvilke mekanismer som drev månens dynamo, og spørsmålet er, hvordan finner du ut hvilken av dem som gjorde det? Det viser seg at alle disse kraftkildene har forskjellige levetider. Så hvis du kunne finne ut når dynamoen slått av, kan du skille mellom mekanismene som er foreslått for månedynamoen. Det var formålet med dette nye papiret. ”
Fram til nå har det vært en stor utfordring å få tak i månefjell som er under 3 milliarder år gammel. Årsaken til dette har å gjøre med at vulkansk aktivitet, som var vanlig på Månen for 4 milliarder år siden, opphørte for omtrent 3 milliarder år siden. Heldigvis var MIT-teamet i stand til å identifisere to prøver av måneberg hentet av Apollo-astronautene som ble opprettet av en påvirkning for 1 milliard år siden.
Mens disse bergartene ble smeltet av støtet og deretter stivnet, og dermed slettet deres magnetiske rekord i prosessen, var teamet i stand til å utføre tester på dem for å rekonstruere deres magnetiske signatur. Først analyserte de orienteringen til bergens elektroner, som Weiss beskriver som "små kompasser", siden de enten ville innrette seg i retning av et eksisterende magnetfelt eller vises i tilfeldige orienteringer i mangel av et.
I begge prøvene observerte teamet sistnevnte, noe som antydet at bergartene dannet seg i et ekstremt svakt magnetfelt på ikke mer enn 0,1 mikroteslas (muligens ingen i det hele tatt). Dette ble fulgt av en radiometrisk dateringsteknikk som ble tilpasset for denne studien av Weiss og David L. Shuster (en Berkeley Geochronology Center forsker og medforfatter av studien). Disse resultatene bekreftet at bergartene faktisk var 1 milliard år gamle.
Til slutt gjennomførte teamet varmeprøver på prøvene for å avgjøre om de kunne gi en god magnetisk post på innvirkningstidspunktet. Dette besto av å plassere begge prøvene i en ovn og eksponere dem for de høye temperaturene som ville blitt skapt av en påvirkning. Mens de avkjølte, utsatte de dem for et kunstig generert magnetfelt på laboratoriet og bekreftet at de var i stand til å registrere det.
Disse resultatene bekrefter at den magnetiske styrken opprinnelig målt av teamet (0,1 mikroteslas) er nøyaktig og at for en milliard år siden hadde dynamoen som styrte Månens magnetfelt sannsynligvis avsluttet. Som Weiss uttrykte:
“Magnetfeltet er denne tullete tingen som gjennomsyrer rom, som et usynlig kraftfelt. Vi har vist at dynamoen som produserte månens magnetfelt døde et sted mellom 1,5 og 1 milliard år siden, og ser ut til å ha blitt drevet på en jordlignende måte. "
Som nevnt hjelper denne studien også til å løse debatten rundt hva som drev månedynamoen i sine senere stadier. Mens flere teorier er antydet, stemmer disse nye funnene med teorien om at kjernekrystallisering er ansvarlig. I utgangspunktet slår denne teorien fast at Månens indre kjerne utkrystalliserte seg over tid, reduserte strømmen av elektrisk ladet væske og arresterte dynamoen.
Weiss antyder at før dette kan presesjon ha vært ansvarlig for å drive et mye sterkere (men kortvarig) dynamo som ville ha produsert det sterke magnetfeltet. Dette stemmer overens med det faktum at månen antas å ha gått i bane mye nærmere Jorden for 4 milliarder år siden. Dette ville resultert i at jordens tyngdekraft hadde en langt større effekt på Månen, og fikk dens mantel til å vingle og røre opp aktiviteten i kjernen.
Da månen sakte vandret bort fra Jorden, reduserte effekten av presesjonen og den magnetiske feltproduserende dynamoen ville svekkes. For rundt 2,5 milliarder år siden ble krystallisering den dominerende mekanismen som månedynamoen fortsatte med, og produserte et svakere magnetfelt som vedvarte til den ytre kjernen til slutt krystalliserte for en milliard år siden.
Studier som dette kan også bidra til å løse mysteriet om hvorfor planeter som Venus og Mars mistet magnetfeltene (som bidro til kataklysmiske klimaendringer) og hvordan Jorden kunne miste sin egen en dag. Tatt i betraktning dets betydning for brukbarhet, kan en større forståelse av dynamoer og magnetiske felt også hjelpe til i jakten på beboelige eksoplaneter.
