Decennia lang hebben wetenschappers beweerd dat het aarde-maansysteem ongeveer 4,5 miljard jaar geleden is ontstaan als gevolg van een botsing tussen de aarde en een object ter grootte van Mars. Deze theorie staat bekend als de Giant Impact Hypothesis en verklaart waarom de aarde en de maan qua structuur en samenstelling vergelijkbaar zijn. Interessant genoeg hebben wetenschappers ook vastgesteld dat de maan tijdens zijn vroege geschiedenis een magnetosfeer had - net zoals de aarde tegenwoordig.
Een nieuwe studie onder leiding van onderzoekers van MIT (met ondersteuning van NASA) geeft echter aan dat het magnetische veld van de maan ooit sterker was dan dat van de aarde. Ze waren ook in staat om strengere beperkingen op te leggen toen dit veld uitpuilde, en beweerden dat het ongeveer 1 miljard jaar geleden zou zijn gebeurd. Deze bevindingen hebben geholpen het mysterie op te lossen van welk mechanisme het magnetische veld van de maan in de loop van de tijd aandreef.
De studie, die onlangs in het tijdschrift verscheen Wetenschappelijke vooruitgang, werd geleid door Saied Mighani, een experimentele steenfysicus bij MIT's Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences. Hij werd vergezeld door leden van het Berkeley Geochronology Center van UC Berkeley en de China University of Geosciences, met extra ondersteuning van de beroemde EAPS-professor, Dr. Benjamin Weiss.
Samenvattend: het magnetische veld van de aarde is essentieel voor het leven zoals wij dat kennen. Wanneer binnenkomende zonnewinddeeltjes de aarde bereiken, worden ze door dit veld afgebogen en vormen ze een boegschok voor de aarde en een magnetotail erachter. De resterende deeltjes worden afgezet op de magnetische polen waar ze een wisselwerking hebben met onze atmosfeer, waardoor de Aurorae in de verre noordelijke en zuidelijke hemisferen worden gezien.
Zonder dit magnetische veld zou de atmosfeer van de aarde in de loop van miljarden jaren langzaam zijn weggenomen door zonnewind en een koude, droge plaats hebben gemaakt. Aangenomen wordt dat dit gebeurde op Mars, waar een eens dikkere atmosfeer tussen 4,2 en 3,7 miljard jaar geleden uitgeput was en al het vloeibare water op het oppervlak ervan verloren ging of bevroor als gevolg.
In de loop der jaren heeft de Weiss-groep geholpen bij het aantonen door de studie van maangesteenten dat de maan ongeveer 4 miljard jaar geleden ook een sterk magnetisch veld had van ongeveer 100 microteslas (terwijl de aarde tegenwoordig ongeveer 50 microteslas is). In 2017 bestudeerden ze monsters die waren verzameld door de Apollo-astronauten en die waren gedateerd op ongeveer 2,5 miljard jaar geleden en een veel zwakker veld vonden (minder dan 10 microteslas).
Met andere woorden, het magnetische veld van de maan verzwakte met een factor vijf tussen 4 en 2,5 miljard jaar geleden en verdween vervolgens ongeveer 1 miljard jaar geleden volledig. Destijds theoretiseerden Weiss en zijn collega's dat er misschien twee dynamomechanismen in het binnenste van de Maan waren die verantwoordelijk waren voor deze verandering.
Kortom, zij beweerden dat een eerste dynamo-effect ongeveer 4 miljard jaar geleden een veel sterker magnetisch veld had kunnen genereren. Vervolgens, 2,5 miljard jaar geleden, werd hij vervangen door een tweede dynamo die langer meegaat maar een veel zwakker magnetisch veld ondersteunde. Zoals Dr. Weiss uitlegde in een MIT News-release:
'Er zijn verschillende ideeën voor welke mechanismen de maandynamo aandreven, en de vraag is: hoe kom je erachter welke het heeft gedaan? Het blijkt dat al deze stroombronnen een verschillende levensduur hebben. Dus als je zou kunnen achterhalen wanneer de dynamo is uitgeschakeld, dan zou je onderscheid kunnen maken tussen de mechanismen die zijn voorgesteld voor de maandynamo. Dat was het doel van dit nieuwe papier. '
Tot nu toe was het verkrijgen van maanstenen van minder dan 3 miljard jaar een grote uitdaging. De reden hiervoor heeft te maken met het feit dat vulkanische activiteit, die 4 miljard jaar geleden gebruikelijk was op de maan, ongeveer 3 miljard jaar geleden ophield. Gelukkig was het MIT-team in staat om twee monsters van maansteen te identificeren die waren verkregen door de Apollo-astronauten en die 1 miljard jaar geleden waren gemaakt door een inslag.
Terwijl deze rotsen werden gesmolten door de inslag en vervolgens werden gestold, waardoor hun magnetische record tijdens het proces werd gewist, kon het team tests op hen uitvoeren om hun magnetische handtekening te reconstrueren. Ten eerste analyseerden ze de oriëntatie van de elektronen van de rots, die Weiss omschrijft als 'kleine kompassen', omdat ze ofwel zouden uitlijnen in de richting van een bestaand magnetisch veld of in willekeurige richtingen zouden verschijnen als er geen zou zijn.
In beide monsters observeerde het team de laatste, wat suggereerde dat de rotsen zich vormden in een extreem zwak magnetisch veld van niet meer dan 0,1 microteslas (mogelijk helemaal geen). Dit werd gevolgd door een radiometrische dateringstechniek die voor deze studie werd aangepast door Weiss en David L. Shuster (een Berkeley Geochronology Center-onderzoeker en co-auteur van de studie). Deze resultaten bevestigden dat de rotsen inderdaad 1 miljard jaar oud waren.
Ten slotte heeft het team hittetests uitgevoerd op de monsters om te bepalen of ze op het moment van de botsing een goed magnetisch record konden opleveren. Dit bestond uit het plaatsen van beide monsters in een oven en ze blootstellen aan de soorten hoge temperaturen die zouden zijn veroorzaakt door een inslag. Terwijl ze afkoelden, stelden ze ze bloot aan een kunstmatig opgewekt magnetisch veld in het laboratorium en bevestigden ze dat ze het konden registreren.
Deze resultaten bevestigen dat de magnetische sterkte die aanvankelijk door het team werd gemeten (0,1 microteslas) nauwkeurig is en dat tegen 1 miljard jaar geleden de dynamo die het magnetische veld van de maan aandrijft waarschijnlijk was beëindigd. Zoals Weiss zei:
'Het magnetische veld is dit vage ding dat de ruimte doordringt, als een onzichtbaar krachtveld. We hebben laten zien dat de dynamo die het magnetische veld van de maan produceerde ergens tussen 1,5 en 1 miljard jaar geleden stierf en op aarde lijkt te worden aangedreven. "
Zoals opgemerkt, helpt deze studie ook om het debat op te lossen over wat de maandynamo in zijn latere stadia aandreef. Hoewel er meerdere theorieën zijn gesuggereerd, zijn deze nieuwe bevindingen in overeenstemming met de theorie dat kernkristallisatie verantwoordelijk is. Deze theorie stelt in feite dat de binnenkern van de maan in de loop van de tijd kristalliseerde, waardoor de stroom van elektrisch geladen vloeistof werd vertraagd en de dynamo werd gestopt.
Weiss suggereert dat precessie eerder verantwoordelijk was geweest voor het aandrijven van een veel sterkere (maar kortstondige) dynamo die het sterke magnetische veld zou hebben geproduceerd. Dit komt overeen met het feit dat de maan 4 miljard jaar geleden vermoedelijk veel dichter bij de aarde cirkelde. Dit zou ertoe hebben geleid dat de zwaartekracht van de aarde een veel groter effect op de maan had gehad, waardoor de mantel zou gaan wiebelen en de activiteit in de kern zou aanwakkeren.
Terwijl de maan langzaam van de aarde weg migreerde, nam het effect van precessie af en zou de dynamo die het magnetische veld produceert, verzwakken. Ongeveer 2,5 miljard jaar geleden werd kristallisatie het dominante mechanisme waardoor de maandynamo doorging en een zwakker magnetisch veld produceerde dat bleef bestaan totdat de buitenste kern een miljard jaar geleden uiteindelijk kristalliseerde.
Studies als deze kunnen ook helpen het mysterie op te lossen waarom planeten zoals Venus en Mars hun magnetische velden verloren (wat bijdraagt aan een catastrofale klimaatverandering) en hoe de aarde op een dag haar eigen veld zou kunnen verliezen. Gezien het belang ervan voor bewoonbaarheid, zou een beter begrip van dynamo's en magnetische velden ook kunnen helpen bij het zoeken naar bewoonbare exoplaneten.
