Nieuw bewijs van oude maanrotsen suggereert dat een actieve dynamo ooit ronddraaide in de gesmolten metalen kern van de maan, het genereren van een magnetisch veld dat minstens 1 miljard jaar langer duurde dan eerder werd gedacht. Dynamo's zijn natuurlijke generatoren van magnetische velden rond aardse lichamen, en worden aangedreven door het karnen van geleidende vloeistoffen in vele sterren en planeten. In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , onderzoekers van MIT en Rutgers University melden dat een maangesteente dat is verzameld door NASA's Apollo 15-missie tekenen vertoont dat het 1 tot 2,5 miljard jaar geleden werd gevormd in de aanwezigheid van een relatief zwak magnetisch veld van ongeveer 5 microtesla. Dat is ongeveer 10 keer zwakker dan het huidige magnetische veld van de aarde, maar nog steeds 1, 000 keer groter dan velden in de interplanetaire ruimte van vandaag.

Een aantal jaar geleden, dezelfde onderzoekers identificeerden 4 miljard jaar oude maanrotsen die zich vormden onder een veel sterker veld van ongeveer 100 microtesla, en ze stelden vast dat de sterkte van dit veld ongeveer 3 miljard jaar geleden abrupt afnam. Destijds, de onderzoekers wisten niet zeker of de dynamo van de maan - het bijbehorende magnetische veld - kort daarna uitstierf of in een verzwakte toestand bleef hangen voordat hij volledig verdween.

De vandaag gerapporteerde resultaten ondersteunen het laatste scenario:nadat het magnetische veld van de maan was afgenomen, het bleef niettemin nog minstens een miljard jaar bestaan, in totaal minstens 2 miljard jaar bestaan.

Studie co-auteur Benjamin Weiss, hoogleraar planetaire wetenschappen aan het MIT's Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen (EAPS), zegt dat deze nieuwe verlengde levensduur helpt om de verschijnselen te lokaliseren die de dynamo van de maan aandreven. specifiek, de resultaten verhogen de mogelijkheid van twee verschillende mechanismen - een die mogelijk een eerdere, veel sterkere dynamo, en een seconde die ervoor zorgde dat de kern van de maan tegen het einde van zijn leven veel langzamer kookte.

"Het concept van een planetair magnetisch veld dat wordt geproduceerd door vloeibaar metaal te verplaatsen, is een idee dat eigenlijk maar een paar decennia oud is, " zegt Weiss. "Wat deze beweging op aarde en andere lichamen aandrijft, vooral op de maan, wordt niet goed begrepen. We kunnen dit achterhalen door de levensduur van de maandynamo te kennen."

De co-auteurs van Weiss zijn hoofdauteur Sonia Tikoo, een voormalige MIT-afgestudeerde student die nu een assistent-professor is bij Rutgers; David Shuster van de Universiteit van Californië in Berkeley; Clément Suavet en Huapei Wang van EAPS; en Timothy Grove, de R.R. Schrock hoogleraar geologie en associate hoofd van EAPS.

Apollo's glazige blokfluiten

Sinds NASA's Apollo-astronauten monsters van het maanoppervlak terugbrachten, wetenschappers hebben ontdekt dat sommige van deze rotsen nauwkeurige "recorders" zijn van het oude magnetische veld van de maan. Dergelijke rotsen bevatten duizenden kleine korrels die, zoals kompasnaalden, uitgelijnd in de richting van oude velden toen de rotsen eonen geleden kristalliseerden. Dergelijke korrels kunnen wetenschappers een maatstaf geven van de oude veldsterkte van de maan.

Tot voor kort, Weiss en anderen waren niet in staat geweest om monsters te vinden die veel jonger waren dan 3,2 miljard jaar oud en die magnetische velden nauwkeurig konden registreren. Als resultaat, ze hadden de sterkte van het magnetische veld van de maan pas tussen 3,2 en 4,2 miljard jaar geleden kunnen meten.

"Het probleem is, er zijn maar heel weinig maangesteenten die jonger zijn dan ongeveer 3 miljard jaar oud, want rond die tijd de maan koelde af, vulkanisme grotendeels gestopt en, mee, vorming van nieuwe stollingsgesteenten op het maanoppervlak, Weiss legt uit. "Dus er waren geen jonge monsters die we konden meten om te zien of er na 3 miljard jaar een veld was."

Er is, echter, een kleine klasse rotsen die werd meegebracht uit de Apollo-missies die niet gevormd zijn door oude maanuitbarstingen maar door asteroïde-inslagen later in de geschiedenis van de maan. Deze rotsen smolten door de hitte van dergelijke inslagen en herkristalliseerden in oriëntaties die werden bepaald door het magnetische veld van de maan.

Weiss en zijn collega's analyseerden zo'n rots, bekend als Apollo 15 monster 15498, die oorspronkelijk werd verzameld op 1 augustus 1971, van de zuidelijke rand van de duinkrater van de maan. Het monster is een mix van mineralen en gesteentefragmenten, aan elkaar gelast door een glasachtige matrix, waarvan de korrels de gegevens van het magnetische veld van de maan bewaren op het moment dat de rots werd geassembleerd.

"We ontdekten dat dit glasachtige materiaal waarmee dingen aan elkaar worden gelast, uitstekende magnetische opname-eigenschappen heeft. "zegt Wies.

Rotsen bakken

Het team stelde vast dat het gesteentemonster ongeveer 1 tot 2,5 miljard jaar oud was - veel jonger dan de monsters die ze eerder analyseerden. Ze ontwikkelden een techniek om het oude magnetische veld te ontcijferen dat is vastgelegd in de glasachtige matrix van de rots door eerst de natuurlijke magnetische eigenschappen van de rots te meten met behulp van een zeer gevoelige magnetometer.

Vervolgens stelden ze de rots bloot aan een bekend magnetisch veld in het lab, en verwarmde het gesteente tot dicht bij de extreme temperaturen waarin het oorspronkelijk gevormd was. Ze maten hoe de magnetisatie van de rots veranderde toen ze de omgevingstemperatuur verhoogden.

"Je ziet hoe gemagnetiseerd het wordt door verhitting in dat bekende magnetische veld, dan vergelijk je dat veld met het natuurlijke magnetische veld dat je van tevoren hebt gemeten, en daaruit kun je achterhalen wat de oude veldsterkte was, ' legt Wies uit.

De onderzoekers moesten wel één belangrijke aanpassing aan het experiment maken om de oorspronkelijke maanomgeving beter te simuleren, en vooral, zijn sfeer. Terwijl de atmosfeer van de aarde ongeveer 20 procent zuurstof bevat, de maan heeft alleen onmerkbare sporen van het gas. In samenwerking met Grove, Suavet bouwde een op maat gemaakte, zuurstofarme oven om de rotsen te verwarmen, voorkomen dat ze gaan roesten en simuleren tegelijkertijd de zuurstofvrije omgeving waarin de rotsen oorspronkelijk werden gemagnetiseerd.

"Op deze manier, we hebben eindelijk een nauwkeurige meting van het maanveld gekregen, "zegt Wies.

Van ijsmachines tot lavalampen

Uit hun experimenten, de onderzoekers bepaalden dat, ongeveer 1 tot 2,5 miljard jaar geleden, de maan had een relatief zwak magnetisch veld, met een sterkte van ongeveer 5 microtesla - twee orden van grootte zwakker dan het veld van de maan ongeveer 3 tot 4 miljard jaar geleden. Zo'n dramatische daling suggereert voor Weiss en zijn collega's dat de dynamo van de maan mogelijk is aangedreven door twee verschillende mechanismen.

Wetenschappers hebben gesuggereerd dat de dynamo van de maan mogelijk is aangedreven door de zwaartekracht van de aarde. Vroeg in zijn geschiedenis, de maan cirkelde veel dichter bij de aarde, en de zwaartekracht van de aarde, zo dichtbij, was misschien sterk genoeg om aan de rotsachtige buitenkant van de maan te trekken en te draaien. Het vloeibare centrum van de maan is mogelijk meegesleurd met de buitenste schil van de maan, het genereren van een zeer sterk magnetisch veld in het proces.

Er wordt gedacht dat de maan ongeveer 3 miljard jaar geleden voldoende ver van de aarde verwijderd was, zodanig dat het door dit mechanisme voor de dynamo beschikbare vermogen onvoldoende werd. Dit is precies rond de tijd dat de magnetische veldsterkte van de maan daalde. Mogelijk is er dan een ander mechanisme in werking getreden om dit verzwakte veld in stand te houden. Toen de maan zich van de aarde verwijderde, de kern ervan heeft waarschijnlijk een laag kookpunt gehad via een langzaam proces van afkoeling gedurende ten minste 1 miljard jaar.

"Als de maan afkoelt, de kern werkt als een lavalamp - stof met een lage dichtheid stijgt op omdat het heet is of omdat de samenstelling ervan verschilt van die van de omringende vloeistof, " zegt Weiss. "Zo denken we dat de dynamo van de aarde werkt, en dat is wat we suggereren dat de late maandynamo ook aan het doen was."

De onderzoekers zijn van plan om nog jongere maanstenen te analyseren om te bepalen wanneer de dynamo volledig is uitgestorven.

"Vandaag de dag is het veld van de maan in wezen nul, "zegt Weiss. "En we weten nu dat het ergens tussen de vorming van deze rots en vandaag is uitgeschakeld."