Nya bevis från forntida månstenar tyder på att en aktiv dynamo en gång kärrade i månens smälta metalliska kärna, genererar ett magnetfält som varade minst 1 miljard år längre än man tidigare trott. Dynamos är naturliga generatorer av magnetfält runt jordkroppar, och drivs av strömning av ledande vätskor inom många stjärnor och planeter. I en tidning som publicerades idag i Vetenskapens framsteg , forskare från MIT och Rutgers University rapporterar att en månsten som samlats in av NASA:s Apollo 15-uppdrag uppvisar tecken på att den bildades för 1 till 2,5 miljarder år sedan i närvaro av ett relativt svagt magnetfält på cirka 5 mikrotesla. Det är cirka 10 gånger svagare än jordens nuvarande magnetfält men fortfarande 1, 000 gånger större än fält i det interplanetära rymden idag.

Många år sedan, samma forskare identifierade 4 miljarder år gamla månstenar som bildades under ett mycket starkare fält på cirka 100 mikrotesla, och de fastställde att styrkan på detta fält sjönk brant för cirka 3 miljarder år sedan. Just då, forskarna var osäkra på om månens dynamo – det relaterade magnetfältet – dog ut kort därefter eller höll sig kvar i ett försvagat tillstånd innan det försvann helt.

Resultaten som rapporteras idag stöder det senare scenariot:Efter att månens magnetfält minskade, det höll ändå i sig i minst ytterligare en miljard år, existerande i totalt minst 2 miljarder år.

Studiens medförfattare Benjamin Weiss, professor i planetvetenskap vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap (EAPS), säger att denna nya förlängda livslängd hjälper till att lokalisera fenomenen som drev månens dynamo. Specifikt, resultaten ger upphov till två olika mekanismer – en som kan ha drivit en tidigare, mycket starkare dynamo, och en sekund som höll månens kärna sjudande i en mycket långsammare kokning mot slutet av dess livstid.

"Konceptet med ett planetariskt magnetfält som produceras av flytande metall är en idé som egentligen bara är några decennier gammal, " säger Weiss. "Vad driver denna rörelse på jorden och andra kroppar, speciellt på månen, är inte väl förstådd. Vi kan ta reda på detta genom att veta måndynamons livslängd."

Weiss medförfattare är huvudförfattaren Sonia Tikoo, en före detta MIT doktorand som nu är biträdande professor vid Rutgers; David Shuster från University of California i Berkeley; Clément Suavet och Huapei Wang från EAPS; och Timothy Grove, R.R. Schrock professor i geologi och biträdande chef för EAPS.

Apollos glasiga blockflöjter

Eftersom NASA:s Apollo-astronauter tog tillbaka prover från månens yta, forskare har funnit att några av dessa stenar är exakta "registratorer" av månens urgamla magnetfält. Sådana stenar innehåller tusentals små korn som, som kompassnålar, i riktning mot forntida fält när stenarna kristalliserades för evigheter sedan. Sådana korn kan ge forskare ett mått på månens uråldriga fältstyrka.

Tills nyligen, Weiss och andra hade inte kunnat hitta prover mycket yngre än 3,2 miljarder år gamla som kunde registrera magnetiska fält korrekt. Som ett resultat, de hade bara kunnat mäta styrkan på månens magnetfält för mellan 3,2 och 4,2 miljarder år sedan.

"Problemet är, det finns väldigt få månstenar som är yngre än cirka 3 miljarder år gamla, för just då, månen svalnade, vulkanismen upphörde i stort sett och, tillsammans med det, bildning av nya magmatiska bergarter på månens yta, Weiss förklarar. "Så det fanns inga unga prover vi kunde mäta för att se om det fanns ett fält efter 3 miljarder år."

Det finns, dock, en liten klass av stenar hämtade från Apollo-uppdragen som inte bildades från forntida månutbrott utan från asteroidnedslag senare i månens historia. Dessa stenar smälte från värmen från sådana nedslag och omkristalliserades i orienteringar som bestämdes av månens magnetfält.

Weiss och hans kollegor analyserade en sådan sten, känd som Apollo 15 prov 15498, som ursprungligen samlades in den 1 augusti, 1971, från den södra kanten av månens dynkrater. Provet är en blandning av mineraler och stenfragment, sammansvetsade av en glasartad matris, vars korn bevarar uppgifter om månens magnetfält vid den tidpunkt då stenen sattes ihop.

"Vi fann att detta glasartade material som svetsar ihop saker har utmärkta magnetiska inspelningsegenskaper, " säger Weiss.

Baka stenar

Teamet fastställde att stenprovet var cirka 1 till 2,5 miljarder år gammalt - mycket yngre än proverna de tidigare analyserat. De utvecklade en teknik för att dechiffrera det gamla magnetfältet som registrerats i bergets glasartade matris genom att först mäta bergartens naturliga magnetiska egenskaper med hjälp av en mycket känslig magnetometer.

De exponerade sedan berget för ett känt magnetfält i labbet, och värmde berget till nära de extrema temperaturer som det ursprungligen bildades i. De mätte hur bergets magnetisering förändrades när de ökade den omgivande temperaturen.

"Du ser hur magnetiserad den blir av att bli uppvärmd i det kända magnetfältet, sedan jämför du det fältet med det naturliga magnetiska fältet du mätte i förväg, och utifrån det kan du ta reda på vad den gamla fältstyrkan var, " förklarar Weiss.

Forskarna var tvungna att göra en betydande justering av experimentet för att bättre simulera den ursprungliga månmiljön, och i synnerhet, dess atmosfär. Medan jordens atmosfär innehåller cirka 20 procent syre, månen har bara omärkliga spår av gasen. I samarbete med Grove, Suavet byggde en skräddarsydd, syrefattig ugn för att värma stenarna, förhindrar dem från att rosta samtidigt som de simulerar den syrefria miljön där stenarna ursprungligen magnetiserades.

"På det här sättet, vi har äntligen fått en exakt mätning av månfältet, " säger Weiss.

Från glasstillverkare till lavalampor

Från deras experiment, forskarna fastställde att för cirka 1 till 2,5 miljarder år sedan, månen hade ett relativt svagt magnetfält, med en styrka på cirka 5 mikrotesla – två storleksordningar svagare än månens fält för cirka 3 till 4 miljarder år sedan. En sådan dramatisk nedgång antyder för Weiss och hans kollegor att månens dynamo kan ha drivits av två distinkta mekanismer.

Forskare har föreslagit att månens dynamo kan ha drivits av jordens gravitationskraft. Tidigt i sin historia, månen kretsade mycket närmare jorden, och jordens gravitation, så nära, kan ha varit tillräckligt stark för att dra på och rotera månens steniga yttre. Månens flytande centrum kan ha släpats med månens yttre skal, genererar ett mycket starkt magnetfält i processen.

Man tror att månen kan ha rört sig tillräckligt långt bort från jorden för cirka 3 miljarder år sedan, så att kraften tillgänglig för dynamo genom denna mekanism blev otillräcklig. Detta råkar vara precis vid den tidpunkt då månens magnetfältsstyrka sjönk. En annan mekanism kan då ha startat för att upprätthålla detta försvagade fält. När månen rörde sig bort från jorden, dess kärna upprätthöll sannolikt en låg kokning via en långsam process av kylning under minst 1 miljard år.

"När månen svalnar, dess kärna fungerar som en lavalampa – lågdensitetsmaterial stiger för att det är varmt eller för att dess sammansättning skiljer sig från den omgivande vätskan, " säger Weiss. "Det är så vi tror att jordens dynamo fungerar, och det är vad vi föreslår att den sena måndynamon också gjorde."

Forskarna planerar att analysera ännu yngre månstenar för att avgöra när dynamo dog helt.

"Idag är månens fält i princip noll, " säger Weiss. "Och nu vet vi att det stängdes av någonstans mellan bildningen av denna sten och idag."