远古月球磁场去哪儿了 解谜关键是找到内部“发电机”

如果你有机会登上月球，你会发现即使你带着指南针，你也找不到北方。这是因为月球现在几乎没有磁场。

然而，情况并非总是如此。最近发表在《科学进步》杂志上的一项研究认为，月球曾经有一个强磁场。在15亿到10亿年前，月球内部的“发电机”停止工作，导致其固有磁场逐渐消失。

所谓的固有磁场是指地球内部自发产生、维持和变化的磁场。科学家是如何“追踪”如此古老而难以捉摸的月球磁场的？月球内部的“发电机”是如何运行和进化的？通过研究古代月球磁场可以回答哪些科学问题？

如何探索古代月球磁场

众所周知，我们的地球有很强的磁场。当太阳风袭击地球时，由于磁场的阻挡，地球周围将形成一个巨大的“隐形壳”——磁气圈，阻挡大部分太阳风等离子体进入地球，这不仅可以防止我们的大气层被太阳风剥离，还可以对地球的生物形成有效的保护。

磁场的重要性不言而喻。月球是一个类似地球的固体行星体，月球磁场自然是行星科学家关注的焦点之一。在过去几十年的探索和观察中，人们发现整个月球表面的平均磁场强度小于0.2微特斯拉，这表明要么没有全球磁场，要么只有一个极其微弱的全球磁场。

同时，探索还发现月球外壳内磁场强度有明显的异常分布。中国科学院国家天文台的研究员平劲松认为，探测和研究月球磁场有两种主要方法。一种是利用月球轨道器和着陆器携带的磁力计和电子反射计来探测月球外壳中剩余磁场的空间分布。二是分析阿波罗探月计划采集的月球表面岩石样品，获取剩余磁场信息和撞击时间信息，推断早期月球磁场的存在和演化特征。

其中，利用岩石样品研究磁场是地球物理场探测和分析的经典技术之一，也是古地磁研究中常用的方法。早在1971年，科学家们就对阿波罗11号采集的两个月球岩石样本进行了实验室分析，证实了月球岩石样本中存在微弱的残余磁场，并排除了岩石长期暴露于地球磁场中产生感应磁场的可能性。

“当月球热原过程中的喷发物质冷却并凝结时，构成月球岩石的粒子与当时月球磁场的方向保持一致。它们被冻结在这些数十亿年的岩石中，保留了物理信息，例如当时月球磁场的强度和方向。”平劲松解释道。

月球磁场和地球磁场的特征完全不同，这使得月球磁异常的起源成为一个非常重要和有争议的月球科学问题。学术界普遍认为，月球外壳的弱磁场和绕月卫星观测到的月球磁异常源于月球外壳在一定磁场环境下的自然剩余磁化。可以合理地推测，在月球诞生后的早期演化阶段，存在一个类似于地球的固有磁场，如早期发电机磁场。

“上述两种对月球磁场的研究都推断月球在大约40亿年前有一个发电机磁场。”平劲松指出。

月球内部的“发电机”是如何运行和进化的

发生器理论是解释天体磁场成因的假说之一。根据这一理论，天体的内核有非常高温的液态金属物质，它们在循环时产生电流，从而形成磁场。电流越大，形成的磁场越强。

“发电机机制是地球磁场产生的关键。月球为科学家提供了一个绝佳的机会，来探索中等规模类地行星体内发电机的进化和寿命。”平劲松指出。

一些研究认为，月球的第一个发电机效应可能在40亿年前产生了一个强磁场。42.5亿至35.6亿年前，月球表面的磁场强度在20至110微特斯拉之间，最大强度约为地球当前磁场的两倍。这表明月球内部的“发电机”曾经非常强大，它的寿命相当长。

如此强大的“发电机”是如何工作的？平劲松解释说，月球早期的发电机磁场与地球磁场相似，是含有金属的液态岩浆核运动产生电流的产物。月球磁场在保护月球表面免受太阳风影响方面发挥了重要作用。

在月球的早期历史中，强磁场可以保护月球表面免受太阳风的影响，防止表面被迅速风化，并防止月球土壤含有大量来自太阳的气体。此后，月球磁场开始减弱，大约在31.9亿年前下降了至少一个数量级。

关于月球“发电机”的原因还有另一种猜测。一些行星科学家认为，在岩浆海时代晚期，月球上曾经有许多较轻且流动的熔岩，当它们漂流到月球表面时，留下了许多放射性元素。这些元素衰变后，释放出大量的热量，使月球内核和周围的物质以及月球表面形成对流，从而产生感应电流，从而产生月球磁场。随着放射性元素的耗尽，月球内核逐渐冷却，磁场消失。

事实上，对于月球“发电机”的形成和演化机制还没有明确的结论。最近的研究认为，早期月球轨道更接近地球，导致月球内核液体的潮汐扭矩扰动，这类似于地球液体内核的运行模式，并产生发电机效应，为磁场提供动力。此后，地球与月球之间的距离不断增加，潮汐力矩的扰动减弱，核结晶的驱动过程可能变得更加明显。

“在这个过程中，月球中心含有铁和镍的固体核心逐渐形成，并与周围的粘性液体物质发生异步旋转和搅拌，从而产生磁场。当月球内核完全结晶并与外部物质分离时，驱动磁场的“内部发电机”就会停止工作。”平劲松说。

月球磁场中隐藏着什么线索

随着研究的深入，人们对月球磁场的理解也在不断更新。在了解磁场强度的同时，科学家们正试图利用阿波罗获得的月球岩石样本来测量古代月球磁场的方向，从而构建月球磁场的原始方位。

除了加深对月球磁场本身的理解，相关的探索研究还能帮助回答哪些科学问题？

在平劲松看来，对月球磁场特征的研究不仅有助于人们了解月球的演化历史和过程，也为研究其他类地行星在演化过程中如何失去磁场以及地球磁场的未来方向提供了线索。

不仅月球，太阳系中的火星和金星也没有磁场。根据火星磁化陨石的年代测定，科学家认为火星发电机的功能大约在39亿年前就停止了，但是能量来源、产生磁场的形式以及消失的原因还没有确定。

金星的大小相似，相对靠近地球。它们还有许多相似之处，所以有时被称为“孪生”行星。但是这两颗行星的大气和磁场是完全不同的。每个人都很好奇，为什么金星没有磁场并且“转动缓慢”可能是原因之一。

如果火星和金星仍然相对较远。如果我们仔细观察，我们生活的地球有一天会失去磁场的保护吗？一些研究表明，在过去的100年里，地球的磁场正在逐渐减弱。未来地球磁场将如何演变，无疑关系到人类的未来。

“事实上，这也是比较行星学的价值。通过比较月球、火星、金星和地球之间的差异，我们可以更好地了解地球的演变和宜居环境的构成，进而了解生命的起源和人类未来的命运。”平劲松指出。