解释月球磁场之谜的全新机制

20世纪的月球探测，已经为我们解答了许多关于这颗卫星的许多问题，但也带来了许多新的难题，至今仍未解决。其中一个长期的未解之谜就是月球的磁场：月球现在没有全球性的磁场，但阿波罗飞船从月球表面采回的样本和传回的探测数据却显示，月球上的一些岩石具有磁性，甚至月球表面大面积区域都存在强磁性。

从月球带回的岩石样本。（图/OptoMechEngineer/CC BY-SA 4.0）

近期，在一项发表于《科学进展》杂志的研究中，一组研究人员对这种神秘的磁化现象提出了新的解释：小行星撞击曾短暂强化了月球早期本就很弱的磁场，这种突然的“磁场增强”被当时存在的岩石记录了下来。

月球磁场简史

当月球还很年轻，与地球的距离约是现在的1/10时，由于最初形成时的高温和地球引力造成的潮汐挤压，使得它的内部一直处于熔融状态。同时，早期月球的自转速度更快，放大了地球潮汐对月球的影响。在大约35.6亿年前，这些因素共同驱动了月球内部的“发电机效应”，形成了磁场。不过，这一磁场强度远不如今天的地球磁场强。随着月球逐渐冷却并远离地球，磁场也慢慢消失。

但月球过去磁场的痕迹仍然藏在月球表面某些区域的残余磁性中。来自20世纪60至70年代阿波罗任务带回的大多数月球岩石样本，都表现出一种叫做“天然剩磁”的特征。研究人员认为，这些样本是在一个持续存在的磁场中冷却下来，并在此过程中“记录”了磁场的。还有一些样本则似乎是在如小行星撞击等剧烈冲击压力的作用下被磁化的。

在过去的二十年里，更多的轨道飞行器对月球整体进行的遥感观测显示，月球地壳中存在一些宽达10至100公里的区域，显示出比周围地区更强的磁异常。而且一些最强的月壳磁异常区，恰好位于几个大型撞击盆地（如危海盆地、雨海盆地、东海盆地和澄海盆地）的对跖点（这些撞击点正对的月球另一侧）。如此大的区域范围表明，它们很可能是在远古时期被一个强磁场所磁化的。

图中的东海盆地（右）和危海盆地（左）都与月球表面磁性增强区域有关，这些增强区域正好位于这些盆地在月球上的对跖点位置。（图/NASA & Robert Reeves）

然而，月球的核心很小，直径仅约140千米。对于如此小的核心来说，发电机效应所能产生的磁场强度，仅为磁化这些大范围地表区域所需强度的十分之一。

一个有影响力的解释

研究团队提出了一种新的可能，能够在短时间内磁化月球地壳的大范围区域。在新的研究中，研究人员对灾难性小行星撞击原始月球的影响进行了建模。

他们的模拟假设，月球曾有一个由发电机效应产生的磁场，强度为1~2微特斯拉，这一强度只有地球磁场的1/50。在此基础上，撞击产生的等离子体云会从撞击点向外扩散，并环绕整个月球传播。在此过程中，它会携带并拖动月球原有的磁场。

随后，这些等离子体从各个方向汇聚到撞击点正对的一侧，即对跖点，并在那一带逐步压缩磁力线，从而使局部磁场强度显著增强。具体来说，模拟结果显示，当等离子体云在撞击点的对跖点压缩磁场时，在月球表面上空约700千米处，磁场强度可以最大被放大到180微特斯拉——放大了120倍！尽管磁场在穿过月球表面的过程中有所耗散，但最终在月表的磁场强度仍达到约43微特斯拉。这股等离子体波可以使放大的磁场持续数十分钟。

如果撞击发生在月球的两极附近，就更容易在其对跖点形成磁场更强的区域。因为撞击产生的等离子体云会沿着月球极地区域原本就存在的磁力线传播。而赤道地区的撞击产生的等离子体云在传播时则会遇到更多磁性阻力，因此在对跖点集中得没有那么密集。

研究人员表示，目前轨道飞行器测得的大多数强磁场，尤其是月球背面上的那些强磁异常，都可以通过这一机制来解释。

协同效应

不过，月球磁场仍有许多尚未被解释的部分。有科学家质疑，这种机制是否真的足够强大，能够在将近40亿年后仍然保留月球上的磁性。对此，研究团队认为答案是肯定的——但前提是，在等离子体波到达的同时，还有其他机制协同作用，才能实现这种持久的磁化效果。

一次形成巨大撞击坑的小行星撞击，会产生在月球内部传播的地震波，这些波最终会在撞击点的对跖点重新聚焦。此前有科学家提出，这种来自月球内部的“锤击”可能是导致局部磁化的原因。但过去从未有研究考虑过：月球内部的地震波与撞击产生的外部等离子体云是否可能同时到达对跖点。

撞击产生的大量固体碎片最多需要4小时才能抵达撞击对跖点，但撞击产生的等离子体波到达得更快，几乎和穿越月球内部的地震波同时抵达。这股强烈的地震波冲击打乱了岩石中电子的自旋状态。而几乎同时达到的瞬时增强的磁场峰值，重新定向了电子自旋，使岩石被磁化，留下了我们今天观测到的磁性。

进一步验证

几十年来，科学界一直在争论月球磁场到底是来自撞击事件，还是来自发电机效应。现在新的研究表明，答案可能是两者兼有。

研究人员表示，这是一个可以通过实际观测来检验的假说。月球上一些神秘的磁异常区域位于南极附近，那正是阿尔忒弥斯号月球探测器计划的着陆点。很快，阿尔忒弥斯将带回一批珍贵的月球样本，并有望为这一令人着迷的磁化机制提供实地验证的数据，帮助科学家更深入理解月球奇特的磁场来源。

#参考来源：

https://www.astronomy.com/science/asteroids-hitting-the-moon-spiked-its-magnetic-field/

https://news.mit.edu/2025/why-are-some-rocks-on-moon-highly-magnetic-0523

#图片来源：

NASA/GSFC/Arizona State University