Przejdź do treści

Naukowcy określają czas wygaśnięcia księżycowego dynamo

img

Tradycyjny kompas byłby dzisiaj nieprzydatny na Księżycu, który nie posiada globalnego pola magnetycznego.

Ale Księżyc wytworzył pole magnetyczne miliardy lat temu i prawdopodobnie było ono jeszcze silniejsze niż ziemskie. Naukowcy uważają, że to pole księżycowe, podobnie jak ziemskie, zostało wygenerowane przez potężne dynamo. W pewnym momencie dynamo i generowane przez nie pole magnetyczne, zanikło.

Teraz naukowcy wyznaczyli moment końca księżycowego dynamo na około 1 mld lat temu.

Nowe określenie tego czasu wyklucza niektóre teorie dotyczące tego, co napędzało księżycowe dynamo na późniejszych etapach i sprzyja jednemu szczególnemu mechanizmowi: krystalizacji jądra. Gdy wewnętrzne żelazne jądro księżycowe się skrystalizowało, płyn naładowanego elektrycznie ciekłego jądra został wymieszany, tworząc dynamo.

W ciągu ostatnich kilku lat grupa Benjamina Weissa odkryła oznaki silnego pola magnetycznego – około 100 mikrotesli – w skałach księżycowych liczących 4 mld lat. Dla porównania, dzisiejsze pole magnetyczne Ziemi ma około 50 mikrotesli.

W 2017 roku grupa Weissa zbadała próbkę zebraną przez astronautów z misji Apollo i znalazła ślady znacznie słabszego pola magnetycznego, poniżej 10 mikrotesli, w skale księżycowej, która miała ok. 2,5 mld lat. Myśleli, że mogły działać wtedy dwa mechanizmy dynamo księżycowego: pierwszy mógł wygenerować znacznie silniejsze, wcześniejsze pole magnetyczne ok. 4 mld lat temu, zanim zostało zastąpione drugim, bardziej trwałym mechanizmem, który utrzymywał znacznie słabsze pole magnetyczne do co najmniej 2,5 mld lat temu.

„Istnieje kilka pomysłów na to, jakie mechanizmy napędzały dynamo księżycowe, a pytanie brzmi, jak dowiedzieć się, które jest za nie odpowiedzialne? Okazuje się, że wszystkie te źródła zasilania mają różne czasy życia. Zatem jeżeli można dowiedzieć się, kiedy dynamo się wyłączyło, można rozróżnić mechanizmy, które zostały zaproponowane dla dynamo księżycowego” – mówi Weiss.

Większość magnetycznych badań próbek księżycowych pochodzi ze starych skał, datowanych na około 3-4 mld lat. Są to skały, które pierwotnie wylewały się jako lawa na powierzchnię bardzo młodego Księżyca, a gdy się schłodziły, ich mikroskopijne ziarna ustawiły się w kierunku księżycowego pola magnetycznego. Znaczna część powierzchni Księżyca jest pokryta takimi skałami, które pozostały niezmienione zachowując zapis starego pola magnetycznego.

Jednak skały księżycowe, których historia magnetyczna rozpoczęła się mniej niż 3 mld lat temu, były znacznie trudniejsze do znalezienia, ponieważ większość księżycowego wulkanizmu do tego czasu ustała.

Niemniej jednak astronomowie zidentyfikowali dwie próbki skały księżycowej, zebrane przez astronautów podczas misji Apollo, które prawdopodobnie uległy silnemu uderzeniu około 1 mld lat temu, w wyniku czego zostały stopione i ponownie połączone w taki sposób, że ich starożytny zapis magnetyczny został prawie całkowicie wymazany.

Zespół ponownie przebadał próbki w laboratorium i najpierw przeanalizował zorientowanie elektronów każdej skały opisywanej przez Weissa jako „małe kompasy”, które albo układają się w kierunku istniejącego pola magnetycznego, albo pojawiają się w przypadkowych orientacjach przy jego braku. W przypadku obu próbek zespół zaobserwował to drugie: losowe konfiguracje elektronów, co sugeruje, że skały powstały w ekstremalnie słabym lub prawie zerowym polu magnetycznym, nie większym niż 0,1 mikrotesli.

Następnie zespół określił wiek próbek, stosując technikę badania radiometrycznego, którą byli w stanie do niego dostosować.

Zespół przebadał próbki baterią testów, aby sprawdzić, czy rzeczywiście są to dobre rejestratory magnetyczne. Innymi słowy, czy po podgrzaniu przez potężne uderzenie, nadal były wystarczająco wrażliwe, aby zarejestrować nawet słabe pole magnetyczne na Księżycu, jeżeli by istniało?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy umieścili obie próbki w piecu i potraktowali wysokimi temperaturami, aby skutecznie wymazać zapis magnetyczny, a następnie podczas schładzania wystawili skały na działanie sztucznie wytworzonego w laboratorium pola magnetycznego.

Wyniki potwierdziły, że dwie próbki rzeczywiście były niezawodnymi rejestratorami magnetycznymi i że początkowo zmierzone przez nich natężenie pola wynoszące 0,1 mikrotesli dokładnie reprezentowało maksymalną możliwą wartość wyjątkowo słabego pola magnetycznego Księżyca 1 mld lat temu. Weiss twierdzi, że pole o wartości 0,1 mikrotesli jest tak niskie, że prawdopodobnie dynamo księżycowe zakończyło swoją żywotność w tamtym czasie.

Nowe odkrycia pokrywają się z przewidywanym okresem życia skrystalizowanego jądra, proponowanym mechanizmem dla dynama księżycowego, który mógł wygenerować słabe i długoterminowe pole magnetyczne w dalszej części historii Księżyca. Weiss mówi, że przed krystalizacją jądra mechanizm znany jako precesja mógł zasilać znacznie silniejsze, choć krótko żyjące dynamo.  

Około 4 mld lat temu młodziutki Księżyc był prawdopodobnie znacznie bliżej Ziemi niż obecnie i był znacznie bardziej podatny na działanie grawitacji planety. Gdy Księżyc powoli oddalał się od Ziemi, efekt precesji się zmniejszał, osłabiając z kolei dynamo i pole magnetyczne. Weiss twierdzi, że prawdopodobnie ok. 2,5 mld lat temu krystalizacja jądra stała się dominującym mechanizmem, dzięki któremu dynamo księżycowe kontynuowało wytwarzanie słabszego pola magnetycznego, które nadal zanikało, gdy jądro Księżyca w końcu całkowicie się skrystalizowało.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Scientists pin down timing of lunar dynamo’s demise

Źródło: MIT