如果有機(jī)會登上月球，你會發(fā)現(xiàn)，在那里即使帶上指南針，也找不到北了。這是因為現(xiàn)在的月球幾乎沒有磁場。
然而，情況并非一直如此。最近一項發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的研究認(rèn)為，月球曾經(jīng)有過強(qiáng)大的磁場，大約在距今15億至10億年的這段時間里，月球內(nèi)部“發(fā)電機(jī)”停止了工作，導(dǎo)致其內(nèi)稟磁場逐漸消失。
所謂內(nèi)稟磁場，是指行星內(nèi)部自發(fā)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(xué)家是如何“追查”到的？月球內(nèi)部“發(fā)電機(jī)”是如何運(yùn)轉(zhuǎn)和演變的？研究古老的月球磁場能回答哪些科學(xué)問題？
如何探尋古老的月球磁場
眾所周知，我們的地球擁有強(qiáng)大的磁場。當(dāng)太陽風(fēng)侵襲地球時，由于磁場的阻擋，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(fēng)等離子體進(jìn)入地球，這不僅能防止我們的大氣層被太陽風(fēng)剝離，也對地球生物形成了有效的保護(hù)。
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(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)之一。過去數(shù)十年的探測和觀測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)今月球整個月面的平均磁場強(qiáng)度小于0.2微特斯拉，表明其目前要么根本不存在全球分布的磁場，要么僅僅存在一個極端微弱的全球磁場。
同時，探測也發(fā)現(xiàn)月球存在著明顯的月殼磁場強(qiáng)度異常分布。中國科學(xué)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(wèi)星和著陸器攜帶的磁力儀和電子反射譜儀等設(shè)備探測月殼現(xiàn)存的剩余磁場空間分布；另一類是對阿波羅探月計劃采集的月面巖石樣品進(jìn)行分析，獲得剩余磁場信息和撞擊時代信息，推斷早期月球磁場的存在和演化特性。
其中，使用巖石樣品研究磁場是地球物理場檢測分析的經(jīng)典技術(shù)之一，在古地磁研究中也經(jīng)常用到。早在1971年，科學(xué)家們就對阿波羅11號采樣得到的兩塊月巖樣品進(jìn)行了實驗室分析，確認(rèn)了月球巖石樣品中存在微弱剩余磁場，并排除了巖石長期暴露在地球磁場中而產(chǎn)生感應(yīng)磁場的可能性。
“月球火成過程中的噴發(fā)物質(zhì)冷卻凝結(jié)時，構(gòu)成月球巖石的微粒與當(dāng)時月球磁場方向保持一致。被凍結(jié)在這些數(shù)十億年的巖石中，保留了當(dāng)時月球磁場強(qiáng)度和方向等物理信息。”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(xué)問題。學(xué)界一般認(rèn)為，繞月衛(wèi)星觀測到的月殼微弱磁場和月球磁異常源于月殼在一定磁場環(huán)境中的自然剩余磁化，有理由推測在月球誕生后的演化早期存在類似地球的內(nèi)稟磁場，比如存在一個早期的發(fā)電機(jī)磁場。
“上面提到的兩類對月球磁場的探測研究都推斷認(rèn)為，月球在距今40億年前左右，出現(xiàn)過發(fā)電機(jī)磁場?！逼絼潘芍赋?。
月球內(nèi)部“發(fā)電機(jī)”怎么運(yùn)轉(zhuǎn)演變
發(fā)電機(jī)理論，是解釋天體磁場成因的假說之一。依照該理論，天體內(nèi)核有著溫度很高的液態(tài)金屬物質(zhì)，它們在循環(huán)活動時產(chǎn)生電流，進(jìn)而形成磁場。電流越大，形成的磁場就越強(qiáng)。
“發(fā)電機(jī)機(jī)制是行星產(chǎn)生磁場的關(guān)鍵，月球為科學(xué)家提供了探索中等尺度類地行星天體發(fā)電機(jī)演化和壽命的絕佳機(jī)會?！逼絼潘芍赋?。
有研究認(rèn)為，月球的首次發(fā)電機(jī)效應(yīng)可能在40億年前產(chǎn)生了強(qiáng)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(qiáng)度在20—110微特斯拉之間，最大強(qiáng)度約為地球當(dāng)前磁場強(qiáng)度的兩倍。由此可見，月球內(nèi)部“發(fā)電機(jī)”一度很強(qiáng)大，其壽命也相當(dāng)長。
如此強(qiáng)大的“發(fā)電機(jī)”是怎么運(yùn)轉(zhuǎn)的？平勁松解釋道，月球早期的發(fā)電機(jī)磁場類似地球的發(fā)電機(jī)磁場，是含有金屬的液態(tài)巖漿核在移動時產(chǎn)生電流的產(chǎn)物，月球磁場對保護(hù)月面免受太陽風(fēng)侵襲起到過重要的作用。
在月球早期歷史中，強(qiáng)大磁場可以保護(hù)月球表面不受太陽風(fēng)的影響，阻止表面被快速風(fēng)化，同時避免月球土壤中包含大量來自太陽氣體的成分。在這之后，月球磁場強(qiáng)度開始減弱，大約在31.9億年前時已經(jīng)下降了至少一個數(shù)量級。
對月球“發(fā)電機(jī)”的成因，還有另一種推測。有行星科學(xué)家認(rèn)為，在巖漿海時代后期，月球上曾經(jīng)存在很多質(zhì)量比較輕而且流動著的熔巖，這些熔巖在飄往月球表面的時候留下了很多放射性元素。這些元素衰變后散發(fā)大量的熱讓月球內(nèi)核以及周圍的物質(zhì)和月球表面形成了對流，對流產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生了月球磁場，隨著放射性元素的衰竭，月球內(nèi)核逐漸冷卻下來，磁場也就跟著消失了。
事實上，目前對于月球“發(fā)電機(jī)”的形成和演變機(jī)制尚無定論。新近的研究認(rèn)為，早期的月球軌道更加接近地球，導(dǎo)致月球內(nèi)核液體出現(xiàn)潮汐力矩擾動，類似于地球液態(tài)核的運(yùn)行方式，產(chǎn)生了為磁場提供動力的發(fā)電機(jī)效應(yīng)。之后地球和月球之間的距離不斷增加，潮汐力矩擾動減弱，核結(jié)晶的驅(qū)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(nèi)核逐漸形成，并與周邊黏性液體物質(zhì)存在不同步的轉(zhuǎn)動攪拌產(chǎn)生了磁場。當(dāng)月球內(nèi)核完全結(jié)晶形成而脫離外部物質(zhì)，驅(qū)動磁場的‘內(nèi)部發(fā)電機(jī)’就停止了工作?！逼絼潘山榻B道。
月球磁場里藏著哪些線索
隨著研究的逐漸深入，人們對月球磁場的認(rèn)識也在不斷刷新。在了解磁場強(qiáng)度的同時，科學(xué)家正在嘗試使用阿波羅號獲取的月球巖石樣本測量遠(yuǎn)古時期月球磁場的方向，從而構(gòu)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(guān)探測研究還將有助于回答哪些科學(xué)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(rèn)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(nèi)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(xué)家認(rèn)為火星發(fā)電機(jī)作用大約在39億年前就已經(jīng)停止，而其動力來源、產(chǎn)生的磁場形態(tài)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，金星為什么沒有磁場，“轉(zhuǎn)得慢”或許是原因之一。
如果說火星、金星還相對遙遠(yuǎn)。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(hù)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(guān)乎著人類的未來。
“事實上，這也正是比較行星學(xué)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(huán)境的構(gòu)成有更多的了解，進(jìn)而認(rèn)知生命的起源和人類未來的命運(yùn)?！逼絼潘芍赋?。（記者 唐 婷）
