月球磁场的信息竟藏在石头里

本文转自：科技日报

月球表面岩石。 NASA

◎姚 硕 郭良辉

对于月球表面磁场的探测，起源于50多年前的阿波罗任务。自1969年11月降落在月球风暴洋的阿波罗12号开始，阿波罗14号、阿波罗15号以及阿波罗16号均开展了月表磁场测量，探测到不同着陆点表面磁场的磁感应强度从几纳特到300多纳特不等，月表磁场随着时间变化具有几十纳特的扰动，并且在月表和空间测量的磁场矢量随时间的变化具有趋势一致性。这些探测结果表明月球已没有全球内禀磁场，其表面磁场来自岩石剩磁以及太阳风和地球磁层的感应磁场。

因此，想要验证月表岩石的磁性，推断月球磁场的变化过程，需要对返回岩石标本进行直接测量。

目前发现的最年轻的月球岩石标本来自我国嫦娥五号在吕姆克地区采集的月海玄武岩。嫦娥五号任务带回了1.731千克的月表物质，包括玄武岩碎屑和角砾岩。根据一项发表在《科学》杂志上的最新研究成果，研究人员发现这些标本的年龄在19.63亿年至20.20亿年。嫦娥五号带回的年轻岩石的磁性有望检验近20亿年来月球古磁场的强度或终止时间。

月球磁场“地图”逐渐精细

从阿波罗任务时期，科学家就开展了绕月卫星在轨磁测以获得月面更大区域的磁场分布特征，这被称为全月面磁场测量。然而，阿波罗时期的绕月卫星只能测量到月球南北纬35度以内的月表磁场分布。此外，当时的卫星轨道高度较高，约为100千米，获得的月表磁场空间分辨率较低。

月球第一幅全球磁异常分布图是由1998年发射的月球勘探者卫星在距离月球约15—30千米高度处测量完成的，随着探测区域的增大，更多的月表磁异常区被发现。通过对比月球的表面磁异常图和地形图，可以看出磁异常与地质特征没有清晰的对应关系，月表磁异常广泛而零散地分布在月球高地、玄武岩月海和盆地区域。只有在月球背面南部区域呈现出磁异常对应雨海、澄海等4个年轻的撞击盆地。

近几年，结合月球勘探者卫星和月亮女神探测器的大量高精度在轨磁测，科学家获得了网格间距达到0.5度的30千米高度处的月表磁异常数据。可以看出，月表磁场散布在月球表面，其中有十余处接近孤立磁异常，水平范围为几百千米的尺度，但是月表大部分区域的磁异常非常弱，不足1纳特。月球正面最强的两处磁异常分别位于风暴洋西部的赖纳尔伽马旋涡和笛卡尔山脉，月球背面的最强磁异常区位于南极—艾特肯盆地一带。

曾经拥有堪比地球的磁场

阿波罗15、16、17号任务带回了大量岩石标本，20世纪80年代科学家就对这些标本开展了古磁学测量。近十年来随着测量技术的进步，又开展了对相应标本的重新测量。

如果岩石中的天然剩磁主要为热剩磁，那么可以依据热剩磁磁化强度推算古磁场强度。

尽管月球岩石标本和磁性测量数据十分丰富，但是其磁化强度的来源仍然存在争议。

许多岩石标本都是经历过多次撞击的复杂角砾岩，即使没有经历撞击的标本在随宇航员返回地球的过程中也会受到磁污染。所以大多数月球岩石标本所反映的古磁场强度其实都有很大的不确定性。

根据对月球返回岩石标本的测量结果，不同地质年代的岩石热剩磁反映了月球古磁场强度的显著变化。目前认为在42.5亿—35.6亿年前月球曾具有强度达到几十微特斯拉（μT）的偶极磁场，在约31.9亿年前古磁场陡降至4μT，进入弱偶极场时代。

从30亿年前到20亿年前这段时期，由于缺乏岩石标本的磁性测量结果，科学家普遍认为该时期月球磁场强度上限不超过5μT，在约8亿—19.2亿年前，月球古磁场强度可能降至0.1μT以下。考虑到当前地磁场的平均强度约为30μT，科学家推测，月球在36亿年前曾经具有与地球相当甚至更强的磁场。