遠古月球磁場去哪兒了 解謎關鍵是找到內部“發電機”

如果有機會登上月球，你會發現，在那裏即使帶上指南針，也找不到北了。這是因為現在的月球幾乎沒有磁場。

然而，情況並非一直如此。最近一項發表在《科學進展》上的研究認為，月球曾經有過強大的磁場，大約在距今15億至10億年的這段時間裏，月球內部“發電機”停止了工作，導致其內稟磁場逐漸消失。

所謂內稟磁場，是指行星內部自發生成、保持和改變的磁場。如此古老且蹤跡難覓的月球磁場，科學家是如何“追查”到的？月球內部“發電機”是如何運轉和演變的？研究古老的月球磁場能回答哪些科學問題？

如何探尋古老的月球磁場

眾所週知，我們的地球擁有強大的磁場。當太陽風侵襲地球時，由於磁場的阻擋，地球周圍會形成一個巨大的“隱形殼體”——磁層，阻擋了絕大部分太陽風電漿體進入地球，這不僅能防止我們的大氣層被太陽風剝離，也對地球生物形成了有效的保護。

磁場的重要性不言而喻。月球是一個類似地球的固體行星類天體，月球磁場自然也是行星科學家關注的焦點之一。過去數十年的探測和觀測發現，當今月球整個月面的平均磁場強度小于0.2微特斯拉，表明其目前要麼根本不存在全球分佈的磁場，要麼僅僅存在一個極端微弱的全球磁場。

同時，探測也發現月球存在著明顯的月殼磁場強度異常分佈。中國科學院國家天文臺研究員平勁松介紹，探測和研究月球磁場的方式主要有兩類，一類是通過繞月衛星和著陸器攜帶的磁力儀和電子反射譜儀等設備探測月殼現存的剩餘磁場空間分佈；另一類是對阿波羅探月計劃採集的月面岩石樣品進行分析，獲得剩餘磁場資訊和撞擊時代資訊，推斷早期月球磁場的存在和演化特性。

其中，使用岩石樣品研究磁場是地球物理場檢測分析的經典技術之一，在古地磁研究中也經常用到。早在1971年，科學家們就對阿波羅11號採樣得到的兩塊月岩樣品進行了實驗室分析，確認了月球岩石樣品中存在微弱剩餘磁場，並排除了岩石長期暴露在地球磁場中而産生感應磁場的可能性。

“月球火成過程中的噴發物質冷卻凝結時，構成月球岩石的微粒與當時月球磁場方向保持一致。被凍結在這些數十億年的岩石中，保留了當時月球磁場強度和方向等物理資訊。”平勁松解釋道。

月球磁場與地球磁場的特性截然不同，使得月球磁異常的起源成了一個極重要的、存有爭議的月球科學問題。學界一般認為，繞月衛星觀測到的月殼微弱磁場和月球磁異常源於月殼在一定磁場環境中的自然剩餘磁化，有理由推測在月球誕生後的演化早期存在類似地球的內稟磁場，比如存在一個早期的發電機磁場。

“上面提到的兩類對月球磁場的探測研究都推斷認為，月球在距今40億年前左右，出現過發電機磁場。”平勁松指出。

月球內部“發電機”怎麼運轉演變

發電機理論，是解釋天體磁場成因的假説之一。依照該理論，天體內核有著溫度很高的液態金屬物質，它們在迴圈活動時産生電流，進而形成磁場。電流越大，形成的磁場就越強。

“發電機機制是行星産生磁場的關鍵，月球為科學家提供了探索中等尺度類地行星天體發電機演化和壽命的絕佳機會。”平勁松指出。

有研究認為，月球的首次發電機效應可能在40億年前産生了強大的磁場。在距今約42.5億到35.6億年間，月球表面的磁場強度在20—110微特斯拉之間，最大強度約為地球當前磁場強度的兩倍。由此可見，月球內部“發電機”一度很強大，其壽命也相當長。

如此強大的“發電機”是怎麼運轉的？平勁松解釋道，月球早期的發電機磁場類似地球的發電機磁場，是含有金屬的液態岩漿核在移動時産生電流的産物，月球磁場對保護月面免受太陽風侵襲起到過重要的作用。

在月球早期歷史中，強大磁場可以保護月球表面不受太陽風的影響，阻止表面被快速風化，同時避免月球土壤中包含大量來自太陽氣體的成分。在這之後，月球磁場強度開始減弱，大約在31.9億年前時已經下降了至少一個數量級。

對月球“發電機”的成因，還有另一種推測。有行星科學家認為，在岩漿海時代後期，月球上曾經存在很多品質比較輕而且流動著的熔岩，這些熔岩在飄往月球表面的時候留下了很多放射性元素。這些元素衰變後散發大量的熱讓月球內核以及周圍的物質和月球表面形成了對流，對流産生感應電流，從而産生了月球磁場，隨著放射性元素的衰竭，月球內核逐漸冷卻下來，磁場也就跟著消失了。

事實上，目前對於月球“發電機”的形成和演變機制尚無定論。新近的研究認為，早期的月球軌道更加接近地球，導致月球內核液體出現潮汐力矩擾動，類似于地球液態核的運作方式，産生了為磁場提供動力的發電機效應。之後地球和月球之間的距離不斷增加，潮汐力矩擾動減弱，核結晶的驅動過程可能變得更加顯著。

“在這個過程中，月球中心含鐵鎳的固體內核逐漸形成，並與周邊黏性液體物質存在不同步的轉動攪拌産生了磁場。當月球內核完全結晶形成而脫離外部物質，驅動磁場的‘內部發電機’就停止了工作。”平勁松介紹道。

月球磁場裏藏著哪些線索

隨著研究的逐漸深入，人們對月球磁場的認識也在不斷刷新。在了解磁場強度的同時，科學家正在嘗試使用阿波羅號獲取的月球岩石樣本測量遠古時期月球磁場的方向，從而構建出月球磁場的原始方位。

除了加深對月球磁場本身的了解以外，相關探測研究還將有助於回答哪些科學問題？

在平勁松看來，對月球磁場特性的研究不僅可以幫助人們了解認識月球的演化歷史和過程，還能借此舉一反三，為研究其他類地行星如何在演化過程中失去了磁場，以及未來地球磁場的走向提供線索。

不只是月球，太陽系內的火星和金星也沒有磁場。通過對火星磁化隕石的定年，科學家認為火星發電機作用大約在39億年前就已經停止，而其動力來源、産生的磁場形態與消失原因，目前還沒有定論。

金星與地球大小相近，和地球的距離也相對比較近。他倆還有很多其他相似的地方，因此有時候被稱為“孿生”星球。但兩顆行星的大氣層和磁場卻截然不同。大家都很好奇，金星為什麼沒有磁場，“轉得慢”或許是原因之一。

如果説火星、金星還相對遙遠。把目光拉近一些，我們身處的地球是否有一天也會失去磁場的庇護呢？有研究表明，近100年來，地球的磁場正在漸漸削弱。地球磁場未來將如何演變，無疑關乎著人類的未來。

“事實上，這也正是比較行星學的價值所在。通過對比月球、火星、金星和地球之間的差異，可以對地球的演化和宜居環境的構成有更多的了解，進而認知生命的起源和人類未來的命運。”平勁松指出。（本報記者唐婷）