Mikroskopiska mineraler utgrävda från en forntida häll av Jack Hills, i västra Australien, har varit föremål för intensiva geologiska studier, eftersom de verkar bära spår av jordens magnetfält som sträckte sig så långt tillbaka som för 4,2 miljarder år sedan. Det är nästan 1 miljard år tidigare än när magnetfältet tidigare troddes ha sitt ursprung, och nästan tillbaka till den tid då planeten själv bildades.

Men hur spännande den här ursprungsberättelsen än kan vara, ett MIT-ledd team har nu hittat bevis på motsatsen. I en tidning publicerad i Vetenskapens framsteg , teamet undersökte samma typ av kristaller, kallas zirkoner, utgrävdes från samma häll, och har kommit fram till att zirkoner som de samlat in är opålitliga som registrerare av uråldriga magnetfält.

Med andra ord, juryn är fortfarande ute om huruvida jordens magnetfält fanns tidigare än för 3,5 miljarder år sedan.

"Det finns inga starka bevis för ett magnetfält före 3,5 miljarder år sedan, och även om det fanns ett fält, det kommer att vara mycket svårt att hitta bevis för det i Jack Hills zirkoner, " säger Caue Borlina, en doktorand vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärisk, och Planetary Sciences (EAPS). "Det är ett viktigt resultat i den meningen att vi vet vad vi inte ska leta efter längre."

Borlina är tidningens första författare, som också inkluderar EAPS professor Benjamin Weiss, Huvudforskare Eduardo Lima, och forskaren Jahandar Ramezan från MIT, tillsammans med andra från Cambridge University, Harvard Universitet, University of California i Los Angeles, University of Alabama, och Princeton University.

Ett fält, rört upp

Jordens magnetfält tros spela en viktig roll för att göra planeten beboelig. Inte bara ett magnetfält bestämmer riktningen för våra kompassnålar, den fungerar också som en slags sköld, avleda bort solvind som annars skulle kunna tära på atmosfären.

Forskare vet att idag drivs jordens magnetfält av stelningen av planetens flytande järnkärna. Kylningen och kristalliseringen av kärnan rör upp det omgivande flytande järnet, skapar kraftfulla elektriska strömmar som genererar ett magnetfält som sträcker sig långt ut i rymden. Detta magnetfält är känt som geodynamo.

Flera bevis har visat att jordens magnetfält fanns för minst 3,5 miljarder år sedan. Dock, planetens kärna tros ha börjat stelna för bara 1 miljard år sedan, vilket betyder att magnetfältet måste ha drivits av någon annan mekanism före 1 miljard år sedan. Att fastställa exakt när magnetfältet bildades kan hjälpa forskare att ta reda på vad som genererade det till att börja med.

Borlina säger att ursprunget till jordens magnetfält också kan belysa de tidiga förhållanden under vilka jordens första livsformer tog fäste.

"Under jordens första miljarder år, mellan 4,4 miljarder och 3,5 miljarder år, det var då livet började växa fram, Borlina säger. "Om du har ett magnetfält vid den tiden har olika konsekvenser för miljön där livet uppstod på jorden. Det är motivationen för vårt arbete."

"Kan inte lita på zirkon"

Forskare har traditionellt använt mineraler i gamla bergarter för att bestämma orienteringen och intensiteten av jordens magnetfält bakåt i tiden. När stenar bildas och svalnar, elektronerna i enskilda korn kan skifta i riktningen mot det omgivande magnetfältet. När stenen svalnar förbi en viss temperatur, känd som Curie-temperaturen, elektronernas orienteringar är huggna i sten, så att säga. Forskare kan bestämma deras ålder och använda standardmagnetometrar för att mäta deras orientering, att uppskatta styrkan och orienteringen av jordens magnetfält vid en given tidpunkt.

Sedan 2001, Weiss och hans grupp har studerat magnetiseringen av Jack Hills stenar och zirkonkorn, med det utmanande målet att fastställa om de innehåller forntida registreringar av jordens magnetfält.

"Jack Hills zirkoner är några av de mest svagt magnetiska föremålen som studerats i paleomagnetismens historia, " säger Weiss. "Dessutom, dessa zirkoner inkluderar de äldsta kända jordmaterialen, vilket betyder att det finns många geologiska händelser som kunde ha återställt deras magnetiska rekord."

2015, en separat forskargrupp som också hade börjat studera Jack Hills zirkoner hävdade att de hittade bevis på magnetiskt material i zirkoner som de daterades till att vara 4,2 miljarder år gamla – det första beviset på att jordens magnetfält kan ha funnits före 3,5 miljarder år sedan.

Men Borlina noterar att teamet inte bekräftade om det magnetiska materialet de upptäckte faktiskt bildades under eller efter zirkonkristallen bildades för 4,2 miljarder år sedan - ett mål som han och hans team tog på sig för sitt nya papper.

Borlina, Weiss, och deras kollegor hade samlat stenar från samma Jack Hills häll, och från dessa prover, extraherat 3, 754 zirkonkorn, var och en cirka 150 mikrometer lång – ungefär lika bred som ett människohår. Genom att använda vanliga datingtekniker, de bestämde åldern på varje zirkonkorn, som varierade från 1 miljard till 4,2 miljarder år gamla.

Omkring 250 kristaller var äldre än 3,5 miljarder år. Teamet isolerade och avbildade dessa prover, letar efter tecken på sprickor eller sekundära material, såsom mineraler som kan ha avsatts på eller inuti kristallen efter att den hade bildats helt, och sökte efter bevis för att de var kraftigt uppvärmda under de senaste miljarderna åren sedan de bildades. Av dessa 250, de identifierade bara tre zirkoner som var relativt fria från sådana föroreningar och därför kunde innehålla lämpliga magnetiska poster.

Teamet utförde sedan detaljerade experiment på dessa tre zirkoner för att bestämma vilka typer av magnetiska material de kan innehålla. De fastställde så småningom att ett magnetiskt mineral som kallas magnetit fanns i två av de tre zirkonerna. Med hjälp av en högupplöst kvantdiamantmagnetometer, teamet tittade på tvärsnitt av var och en av de två zirkonerna för att kartlägga magnetitens placering i varje kristall.

De upptäckte magnetit som låg längs sprickor eller skadade zoner i zirkonerna. Sådana sprickor, Borlina säger, är vägar som tillåter vatten och andra element inuti berget. Sådana sprickor kunde ha släppt in sekundär magnetit som satte sig i kristallen mycket senare än när zirkonen ursprungligen bildades. Hur som helst, Borlina säger att bevisen är tydliga:Dessa zirkoner kan inte användas som en pålitlig registrering av jordens magnetfält.

"Detta är bevis på att vi inte kan lita på dessa zirkonmätningar för registrering av jordens magnetfält, " säger Borlina. "Vi har visat att, före 3,5 miljarder år sedan, vi har fortfarande ingen aning om när jordens magnetfält började."

Trots dessa nya resultat, Weiss betonar att tidigare magnetiska analyser av dessa zirkoner fortfarande är mycket värdefulla.

"Teamet som rapporterade den ursprungliga magnetiska zirkonstudien förtjänar mycket beröm för att ha försökt ta itu med detta enormt utmanande problem, " säger Weiss. "Som ett resultat av allt arbete från båda grupperna, vi förstår nu mycket bättre hur man studerar magnetismen hos forntida geologiska material. Vi kan nu börja tillämpa denna kunskap på andra mineralkorn och på korn från andra planetariska kroppar."