На протяжении десятилетий ученые считали, что система Земля-Луна образовалась в результате столкновения между Землей и объектом размером с Марс примерно 4,5 миллиарда лет назад. Эта теория, известная как гипотеза гигантского удара, объясняет, почему Земля и Луна схожи по структуре и составу. Интересно, что ученые также определили, что в начале своей истории Луна имела магнитосферу - так же, как Земля сегодня.
Тем не менее, новое исследование, проведенное исследователями из Массачусетского технологического института (при поддержке НАСА), показывает, что когда-то магнитное поле Луны могло быть на самом деле сильнее, чем земное. Они также смогли наложить более жесткие ограничения, когда это поле прекратилось, заявив, что это произошло бы около 1 миллиарда лет назад. Эти открытия помогли разгадать тайну того, какой механизм приводил в действие магнитное поле Луны с течением времени.
Исследование, которое недавно появилось в журнале Научные достижениявозглавлял Сайед Мигани, физик-экспериментатор по горным породам из Департамента наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института. К нему присоединились члены Геохронологического центра Беркли в Калифорнийском университете в Беркли и Китайского университета геонаук при дополнительной поддержке знаменитого профессора EAPS, доктора Бенджамина Вайса.
Напомним, магнитное поле Земли необходимо для жизни, какой мы ее знаем. Когда поступающие частицы солнечного ветра достигают Земли, они отклоняются этим полем и образуют изгиб носа перед Землей и хвостом магнитосферы за ней. Оставшиеся частицы оседают на магнитных полюсах, где они взаимодействуют с нашей атмосферой, что вызывает сияние, наблюдаемое в дальнем северном и южном полушариях.
Если бы не это магнитное поле, атмосфера Земли медленно разрушалась бы солнечным ветром в течение миллиардов лет и превращалась бы в холодное, сухое место. Считается, что именно это произошло на Марсе, где когда-то более плотная атмосфера была истощена между 4,2 и 3,7 млрд лет назад, и в результате вся жидкая вода на ее поверхности была либо потеряна, либо замерзла.
На протяжении многих лет группа Вейсса посредством исследования лунных пород помогла продемонстрировать, что примерно 4 миллиарда лет назад Луна также имела сильное магнитное поле силой около 100 микротесл (тогда как сегодня на Земле около 50 микротеслов). В 2017 году они изучили образцы, собранные астронавтами Аполлона, которые были датированы примерно 2,5 миллиарда лет назад, и обнаружили гораздо более слабое поле (менее 10 микротесла).
Другими словами, магнитное поле Луны ослабло в пять раз от 4 до 2,5 миллиардов лет назад, а затем полностью исчезло около 1 миллиарда лет назад. В то время Вайс и его коллеги предположили, что, возможно, во внутренней части Луны были два динамо-механизма, которые были ответственны за это изменение.
Короче говоря, они утверждали, что первый эффект динамо мог создать гораздо более сильное магнитное поле около 4 миллиардов лет назад. Затем, 2,5 миллиарда лет назад, его заменили вторым динамо, которое было более долговечным, но поддерживало гораздо более слабое магнитное поле. Как объяснил доктор Вайс в пресс-релизе MIT:
«Существует несколько идей относительно того, какие механизмы приводят в действие лунное динамо, и вопрос заключается в том, как выяснить, какой из них это сделал? Оказывается, все эти источники питания имеют разное время жизни. Так что, если бы вы могли выяснить, когда динамо-машина выключилась, тогда вы могли бы различить механизмы, которые были предложены для лунного динамо. Это было целью этой новой статьи ».
До настоящего времени получение лунных пород, возраст которых менее 3 миллиардов лет, было серьезной проблемой. Причина этого связана с тем фактом, что вулканическая активность, которая была распространена на Луне 4 миллиарда лет назад, прекратилась примерно 3 миллиарда лет назад. К счастью, команда Массачусетского технологического института смогла идентифицировать два образца лунных пород, полученных астронавтами Аполлона, которые были созданы в результате удара 1 миллиард лет назад.
В то время как эти породы были расплавлены в результате удара, а затем рассеялись, таким образом, удалив их магнитную запись в процессе, команда смогла провести испытания на них, чтобы восстановить их магнитную сигнатуру. Во-первых, они проанализировали ориентацию электронов породы, которую Вайс описывает как «маленькие компасы», поскольку они либо выровнялись бы в направлении существующего магнитного поля, либо появлялись в случайных ориентациях в отсутствие такового.
В обоих образцах команда наблюдала последний, что позволило предположить, что камни сформировались в чрезвычайно слабом магнитном поле, не превышающем 0,1 микротесла (возможно, вообще никакого). За этим последовала методика радиометрического датирования, которая была адаптирована для этого исследования Вейссом и Дэвидом Л. Шустером (научный сотрудник Берклиского центра геохронологии и соавтор исследования). Эти результаты подтвердили, что породам действительно было 1 миллиард лет.
Наконец, команда провела тепловые испытания образцов, чтобы определить, могут ли они обеспечить хорошую магнитную запись во время удара. Это состояло в том, чтобы поместить оба образца в печь и подвергнуть их воздействию высоких температур, которые могли бы возникнуть при ударе. Охладившись, они подвергли их воздействию искусственно созданного магнитного поля в лаборатории и подтвердили, что смогли его записать.
Эти результаты подтверждают, что магнитная сила, первоначально измеренная командой (0,1 микротесла), является точной и что к 1 млрд. Лет назад динамо, питающее магнитное поле Луны, вероятно, прекратилось. Как выразился Вайс:
«Магнитное поле - это та туманная вещь, которая пронизывает пространство, как невидимое силовое поле. Мы показали, что динамо, которое создавало магнитное поле Луны, умерло где-то между 1,5 и 1 миллиардом лет назад и, похоже, было приведено в действие земным способом ».
Как уже отмечалось, это исследование также помогает разрешить спор о том, что привело лунное динамо на более поздние стадии. Хотя было предложено несколько теорий, эти новые результаты согласуются с теорией, что ответственность за кристаллизацию ядра. По сути, эта теория утверждает, что внутреннее ядро Луны кристаллизовалось с течением времени, замедляя поток электрически заряженной жидкости и останавливая динамо.
Вайс предполагает, что до этого прецессия могла быть причиной питания гораздо более сильного (но недолговечного) динамо, которое могло бы создать сильное магнитное поле. Это согласуется с тем фактом, что 4 миллиарда лет назад, как полагают, Луна вращалась намного ближе к Земле. Это привело бы к тому, что гравитация Земли оказала бы гораздо большее влияние на Луну, заставив ее мантию колебаться и активизировать активность в ядре.
Поскольку Луна медленно удалялась от Земли, эффект прецессии уменьшился, и динамо, создающее магнитное поле, ослабло бы. Примерно 2,5 миллиарда лет назад кристаллизация стала доминирующим механизмом, благодаря которому лунное динамо продолжалось, создавая более слабое магнитное поле, которое сохранялось до тех пор, пока внешнее ядро окончательно не кристаллизовалось миллиард лет назад.
Подобные исследования также могут помочь разгадать тайну того, почему планеты, такие как Венера и Марс, потеряли свои магнитные поля (способствуя катастрофическим изменениям климата) и как Земля может когда-нибудь потерять свои собственные. Учитывая его важность для обитаемости, лучшее понимание динамо и магнитных полей также может помочь в поиске обитаемых экзопланет.
