MIT科学家可能解开了月球磁场变化的谜团

几十年来，科学家们一直在思考一个简单的问题：月球的磁性究竟是怎么产生的？轨道航天器上的仪器曾在月球表面岩石中探测到强烈的磁场特征，表明过去曾存在强大的磁场。然而，如今月球本身已不具备固有磁性。

月球背面图像。图片来源：NASA/戈达德太空飞行中心/亚利桑那州立大学

麻省理工学院的研究人员现在相信他们可能已经找到了答案。他们的假设认为，月球曾经拥有微弱的磁场，当一次大规模撞击发生时，它产生了一股等离子体，暂时增强了该磁场，尤其是在月球的远端。

在发表于《科学进展》的研究成果中，该团队利用详细的模拟来测试这一情景。他们表明，一场小行星规模的碰撞可能产生一团带电粒子云，短暂地包围月球。当等离子体扫过月球表面并在撞击的反面聚集时，它会与月球微弱的磁场相互作用，造成短暂但强大的放大效应。在这一短暂的事件中，该区域的岩石可能吸收并保存了增强磁场的记录，然后它迅速消退。

这一系列事件为月球南极附近（也就是月球背面）发现的异常磁性岩石提供了一个合理的解释。值得注意的是，雨海盆地——已知最大的撞击坑之一——几乎正位于该区域的正面对面。研究人员认为，形成雨海盆地的事件很可能产生了启动这一过程的等离子云。

“月球磁场的很大一部分仍未得到解释，”该研究的主要作者、麻省理工学院地球、大气与行星科学系（EAPS）的研究生艾萨克·纳雷特（Isaac Narrett）说道。“但轨道航天器测量到的强磁场，大部分都可以用这一过程来解释——尤其是在月球背面。”

Narrett 的合著者包括麻省理工学院的 Rona Oran 和 Benjamin Weiss，以及科廷大学的 Katarina Miljkovic、密歇根大学安娜堡分校的 Yuxi Chen 和 Gábor Tóth，以及剑桥大学的 Elias Mansbach 博士（2024 届）。麻省理工学院核科学与工程教授 Nuno Loureiro 也贡献了见解和建议。

追踪月球磁场

多年来，科学家们已经认识到月球保留着古老磁场的痕迹。证据既来自20世纪60年代和70年代阿波罗时代带回的月球样本，也来自轨道航天器收集的远程测量数据。这些研究表明，月球表面岩石，尤其是月球背面的岩石，仍然带有磁性特征。

一种被广泛接受的解释是，月球曾经通过一种“发电机”机制产生了全球磁场，这种机制由熔融核心内部的运动驱动。地球正是通过这样的过程产生了现在的磁场，人们认为月球过去可能也发生过类似的情况。然而，由于月球核心要小得多，它所维持的任何“发电机”机制可能都很弱，不足以完全解释在某些区域发现的强磁化岩石。

多年来人们探索的另一种可能性是，大规模撞击产生了等离子体，并暂时增强了微弱的磁场。2020年，奥兰和韦斯通过模拟大规模碰撞并结合太阳磁场（该磁场可以到达月球，但在月球表面非常微弱）来测试这种情景。

他们通过模拟测试，检验了这种撞击是否能够增强太阳磁场，使其强度达到月球岩石中探测到的强磁场水平。结果表明，这种现象无法解释月球令人费解的磁场记录，而等离子体驱动的撞击理论则被质疑。

一种新的模拟方法

但在这项新研究中，研究人员采取了不同的策略。他们没有考虑太阳磁场，而是假设月球曾经拥有一个发电机，能够产生自身的磁场，尽管磁场强度很弱。考虑到月球核心的大小，他们估计这样的磁场强度约为1微特斯拉，比如今的地球磁场弱50倍。

从这个出发点出发，研究人员模拟了对月球表面的一次大规模撞击，类似于在月球正面形成雨海盆地的撞击。利用卡塔琳娜·米尔科维奇（Katarina Miljkovic）的撞击模拟，该团队随后模拟了这种撞击力蒸发表面物质时产生的等离子体云。他们改编了由密歇根大学合作者开发的第二个代码，以模拟由此产生的等离子体如何流动以及如何与月球微弱的磁场相互作用。

这些模拟表明，撞击产生的等离子体云，一部分会扩散到太空，其余部分则会环绕月球并聚集在另一侧。在那里，等离子体会压缩并短暂地增强月球微弱的磁场。纳雷特说，从磁场被增强到衰减回基线的整个过程速度非常快——大约40分钟。

这段短暂的窗口是否足以让周围的岩石记录下瞬间的磁力峰值？研究人员表示，是的，此外还存在一些与撞击相关的效应。

冲击波使电子排列整齐

他们发现，类似雨海规模的撞击会向月球发射压力波，类似于地震冲击。这些压力波会汇聚到月球的另一侧，冲击波会“抖动”周围的岩石，短暂地扰乱岩石的电子——这些亚原子粒子会自然地根据任何外部磁场调整自旋方向。研究人员怀疑，岩石受到冲击的时机恰好是撞击产生的等离子体放大了月球磁场的时候。随着岩石电子的稳定，它们会呈现出新的方向，与瞬时的高磁场保持一致。

“这就像你把一副52张牌的扑克牌抛到空中，放在磁场中，每张牌上都有一根罗盘针，”韦斯说。“当牌落回地面时，它们会以新的方向重新定位。这本质上就是磁化过程。”

研究人员表示，这种“发电机”效应加上一次巨大撞击，再加上撞击产生的冲击波，足以解释月球表面岩石高度磁化——尤其是在月球背面。确定这一点的一个方法是直接对岩石进行取样，寻找冲击波和强磁性的迹象。这可能是可能的，因为这些岩石位于月球背面，靠近月球南极，而美国宇航局的“阿尔忒弥斯”计划等任务计划在那里进行探索。

“几十年来，月球的磁性一直存在一个谜团——它究竟是撞击造成的，还是发电机造成的？”奥兰说。“而我们现在认为，两者都有一点。这是一个可验证的假设，这很好。”

编译自/ScitechDaily