En konventionell kompass skulle vara till liten nytta på månen, som idag saknar ett globalt magnetfält.

Men månen producerade ett magnetfält för miljarder år sedan, och det var sannolikt ännu starkare än jordens fält idag. Forskare tror att detta månfält, som jordens, genererades av en kraftfull dynamo - kärnan av månens kärna. Vid något tillfälle, denna dynamo, och magnetfältet den genererade, tappade ut.

Nu har forskare från MIT och andra håll fastställt tidpunkten för måndynamons slut, för cirka 1 miljard år sedan. Fynden visas idag i tidskriften Vetenskapens framsteg .

Den nya timingen utesluter vissa teorier för vad som drev måndynamon i dess senare skeden och gynnar en speciell mekanism:kärnkristallisering. När månens inre järnkärna kristalliserades, den flytande kärnans elektriskt laddade vätska omrördes kraftigt, tillverka dynamo.

"Det magnetiska fältet är denna dunkla sak som genomsyrar rymden, som ett osynligt kraftfält, säger Benjamin Weiss, professor i jord, atmosfärisk, och planetvetenskap vid MIT. "Vi har visat att dynamo som producerade månens magnetfält dog någonstans mellan 1,5 och 1 miljard år sedan, och verkar ha drivits på ett jordliknande sätt."

Weiss medförfattare på tidningen är medförfattarna Saied Mighani och Huapei Wang, samt Caue Borlina och Claire Nichols från MIT, tillsammans med David Shuster från University of California i Berkeley.

Duellerande dynamoteorier

Under de senaste åren, Weiss grupp och andra har upptäckt tecken på ett starkt magnetfält, på cirka 100 mikroteslas, i månstenar så gamla som 4 miljarder år. För jämförelse, Jordens magnetfält är idag runt 50 mikroteslas.

Under 2017, Weiss grupp studerade ett prov som samlats in från NASA:s Apollo-projekt, och hittade spår av ett mycket svagare magnetfält, under 10 mikroteslas, i en månsten bestämde de sig för att vara cirka 2,5 miljarder år gamla. De trodde vid den tiden att kanske två mekanismer för måndynamon spelade:Den första kunde ha genererat en mycket starkare, tidigare magnetfält för cirka 4 miljarder år sedan, innan den ersätts av en andra, mer långlivad mekanism som upprätthöll ett mycket svagare fält, för minst 2,5 miljarder år sedan.

"Det finns flera idéer för vilka mekanismer som drev måndynamon, och frågan är, hur tar du reda på vilken som gjorde det?" säger Weiss. "Det visar sig att alla dessa strömkällor har olika livslängder. Så om du kunde ta reda på när dynamo stängdes av, då kan man skilja mellan de mekanismer som har föreslagits för måndynamon. Det var syftet med denna nya tidning."

De flesta magnetiska studier av månprover från Apollo-uppdragen har varit från gamla stenar, dateras till cirka 3 miljarder till 4 miljarder år gamla. Dessa är stenar som ursprungligen spydde ut som lava på en mycket ung månyta, och när de svalnade, deras mikroskopiska korn inriktade i riktningen för månens magnetfält. Mycket av månens yta är täckt av sådana stenar, som har förblivit oförändrade sedan, bevara ett register över det gamla magnetfältet.

Dock, Månstenar vars magnetiska historia började för mindre än 3 miljarder år sedan har varit mycket svårare att hitta eftersom den mesta månvulkanismen hade upphört vid denna tidpunkt.

"De senaste 3 miljarder år av månens historia har varit ett mysterium eftersom det nästan inte finns några rockrekord av det, " säger Weiss.

"Små kompasser"

Ändå, han och hans kollegor identifierade två prover av månsten, insamlade av astronauter under Apollo-uppdragen, som verkar ha drabbats av en massiv påverkan för cirka 1 miljard år sedan och som ett resultat smältes och svetsades samman på ett sådant sätt att deras gamla magnetiska rekord nästan raderades.

Teamet tog proverna tillbaka till labbet och analyserade först orienteringen av varje stens elektroner, som Weiss beskriver som "små kompasser" som antingen riktar sig i riktning mot ett befintligt magnetfält eller visas i slumpmässiga orienteringar i frånvaro av ett. För båda proverna, laget observerade det senare:slumpmässiga konfigurationer av elektroner, vilket tyder på att stenarna bildades i ett extremt svagt till i huvudsak noll magnetfält, på högst 0,1 mikroteslas.

Teamet bestämde sedan åldern på båda proverna med hjälp av en radiometrisk dateringsteknik som Weiss och Shuster kunde anpassa för denna studie.

Teamet satte proverna genom ett batteri av tester för att se om de verkligen var bra magnetiska brännare. Med andra ord, när de värmdes upp igen av en massiv påverkan, kan de fortfarande ha varit tillräckligt känsliga för att registrera även ett svagt magnetfält på månen, om det fanns?

För att svara på detta, forskarna placerade båda proverna i en ugn och sprängde dem med höga temperaturer för att effektivt radera deras magnetiska rekord, exponerade sedan stenarna för ett artificiellt genererat magnetfält i laboratoriet när de svalnade.

Resultaten bekräftade att de två proverna verkligen var pålitliga magnetiska registrerare och att fältstyrkan de initialt mätte, på 0,1 mikroteslas, exakt representerade det maximalt möjliga värdet av månens extremt svaga magnetfält för 1 miljard år sedan. Weiss säger att ett fält på 0,1 mikroteslas är så lågt att det är troligt att måndynamon har tagit slut vid det här laget.

De nya rönen överensstämmer med den förutspådda livslängden för kärnkristallisation, en föreslagen mekanism för måndynamon som kunde ha genererat ett svagt och långlivat magnetfält i den senare delen av månens historia. Weiss säger att före kärnkristallisering, en mekanism som kallas precession kan ha drivit en mycket starkare men kortare dynamo. Precession är ett fenomen där det fasta yttre skalet på en kropp som månen, i närheten av en mycket större kropp som jorden, vinglar som svar på jordens gravitation. Denna vinkling rör upp vätskan i kärnan, sättet att swisha en kopp kaffe rör upp vätskan inuti.

För cirka 4 miljarder år sedan, spädbarnsmånen var sannolikt mycket närmare jorden än den är idag, och mycket mer mottagliga för planetens gravitationseffekter. När månen långsamt rörde sig bort från jorden, effekten av precession minskade, försvagar dynamo och magnetfält i sin tur. Weiss säger att det är troligt att för cirka 2,5 miljarder år sedan, kärnkristallisation blev den dominerande mekanismen genom vilken måndynamon fortsatte, producerar ett svagare magnetfält som fortsatte att skingras när månens kärna så småningom helt kristalliserades.

Gruppen tittar bredvid för att mäta riktningen för månens antika magnetfält i hopp om att få fram mer information om månens utveckling.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.