Nuove prove da antiche rocce lunari suggeriscono che una dinamo attiva una volta si agitava all'interno del nucleo metallico fuso della luna, generando un campo magnetico che è durato almeno 1 miliardo di anni in più di quanto si pensasse. Le dinamo sono generatori naturali di campi magnetici attorno ai corpi terrestri, e sono alimentati dall'agitazione di fluidi conduttori all'interno di molte stelle e pianeti. In un articolo pubblicato oggi in Progressi scientifici , ricercatori del MIT e della Rutgers University riferiscono che una roccia lunare raccolta dalla missione Apollo 15 della NASA mostra segni di essersi formata da 1 a 2,5 miliardi di anni fa in presenza di un campo magnetico relativamente debole di circa 5 microtesla. È circa 10 volte più debole dell'attuale campo magnetico terrestre, ma comunque 1, 000 volte più grandi dei campi odierni nello spazio interplanetario.

Diversi anni fa, gli stessi ricercatori hanno identificato rocce lunari di 4 miliardi di anni che si sono formate sotto un campo molto più forte di circa 100 microtesla, e hanno determinato che la forza di questo campo è diminuita precipitosamente circa 3 miliardi di anni fa. Al tempo, i ricercatori non erano sicuri se la dinamo della luna, il relativo campo magnetico, si fosse estinto poco dopo o se fosse rimasto in uno stato indebolito prima di dissiparsi completamente.

I risultati riportati oggi supportano quest'ultimo scenario:dopo che il campo magnetico lunare è diminuito, tuttavia persisteva per almeno un altro miliardo di anni, esistenti per un totale di almeno 2 miliardi di anni.

Il coautore dello studio Benjamin Weiss, professore di scienze planetarie presso il Dipartimento della Terra del MIT, Scienze atmosferiche e planetarie (EAPS), afferma che questa nuova durata prolungata aiuta a individuare i fenomeni che hanno alimentato la dinamo lunare. Nello specifico, i risultati sollevano la possibilità di due diversi meccanismi, uno che potrebbe aver guidato un precedente, dinamo molto più forte, e un secondo che faceva sobbollire il nucleo della luna a un punto di ebollizione molto più lento verso la fine della sua vita.

"Il concetto di un campo magnetico planetario prodotto dallo spostamento di metallo liquido è un'idea che in realtà ha solo pochi decenni, " dice Weiss. "Che cosa alimenta questo movimento sulla Terra e su altri corpi, in particolare sulla luna, non è ben compreso. Possiamo capirlo conoscendo la durata della dinamo lunare".

I coautori di Weiss sono l'autrice principale Sonia Tikoo, un ex studente laureato del MIT che ora è assistente professore alla Rutgers; David Shuster dell'Università della California a Berkeley; Clément Suavet e Huapei Wang di EAPS; e Timothy Grove, il professore di geologia R.R. Schrock e capo associato di EAPS.

I registratori vitrei di Apollo

Da quando gli astronauti dell'Apollo della NASA hanno riportato campioni dalla superficie lunare, gli scienziati hanno scoperto che alcune di queste rocce sono "registratori" accurati dell'antico campo magnetico lunare. Tali rocce contengono migliaia di minuscoli granelli che, come aghi di bussola, allineati in direzione di antichi campi quando le rocce si sono cristallizzate eoni fa. Tali grani possono fornire agli scienziati una misura dell'antica forza del campo lunare.

Fino a poco tempo fa, Weiss e altri non erano stati in grado di trovare campioni molto più giovani di 3,2 miliardi di anni in grado di registrare con precisione i campi magnetici. Di conseguenza, erano stati in grado di misurare la forza del campo magnetico lunare solo tra 3,2 e 4,2 miliardi di anni fa.

"Il problema è, ci sono pochissime rocce lunari che hanno meno di 3 miliardi di anni, perché proprio allora, la luna si è raffreddata, il vulcanismo cessò in gran parte e, insieme ad esso, formazione di nuove rocce ignee sulla superficie lunare, "Spiega Weiss. "Quindi non c'erano campioni giovani che potessimo misurare per vedere se c'era un campo dopo 3 miliardi di anni".

C'è, però, una piccola classe di rocce riportate dalle missioni Apollo che si sono formate non da antiche eruzioni lunari ma da impatti di asteroidi più tardi nella storia della luna. Queste rocce si sono sciolte dal calore di tali impatti e si sono ricristallizzate con orientamenti determinati dal campo magnetico della luna.

Weiss e i suoi colleghi hanno analizzato una di queste rocce, noto come Apollo 15 campione 15498, che è stato originariamente raccolto il 1 agosto, 1971, dal bordo meridionale del Dune Crater lunare. Il campione è un mix di minerali e frammenti di roccia, saldati tra loro da una matrice vetrosa, i cui grani conservano registrazioni del campo magnetico lunare al momento dell'assemblaggio della roccia.

"Abbiamo scoperto che questo materiale vetroso che salda insieme le cose ha eccellenti proprietà di registrazione magnetica, " dice Weiss.

Pietre da forno

Il team ha determinato che il campione di roccia aveva da 1 a 2,5 miliardi di anni, molto più giovane dei campioni analizzati in precedenza. Hanno sviluppato una tecnica per decifrare l'antico campo magnetico registrato nella matrice vetrosa della roccia misurando prima le proprietà magnetiche naturali della roccia utilizzando un magnetometro molto sensibile.

Hanno quindi esposto la roccia a un campo magnetico noto in laboratorio, e riscaldò la roccia fino a raggiungere le temperature estreme in cui si era originariamente formata. Hanno misurato come la magnetizzazione della roccia è cambiata mentre aumentava la temperatura circostante.

"Vedi come si magnetizza per il riscaldamento in quel campo magnetico noto, poi confronti quel campo con il campo magnetico naturale che hai misurato in precedenza, e da questo puoi capire quale fosse l'antica forza di campo, "Spiega Weiss.

I ricercatori hanno dovuto apportare una modifica significativa all'esperimento per simulare meglio l'ambiente lunare originale, e in particolare, la sua atmosfera. Mentre l'atmosfera terrestre contiene circa il 20% di ossigeno, la luna ha solo tracce impercettibili del gas. In collaborazione con Grove, Suavet ha costruito un su misura, forno privo di ossigeno in cui riscaldare le rocce, impedendo loro di arrugginire e simulando allo stesso tempo l'ambiente privo di ossigeno in cui le rocce erano originariamente magnetizzate.

"In questo modo, finalmente abbiamo ottenuto una misurazione accurata del campo lunare, " dice Weiss.

Dai gelatieri alle lampade lava

Dai loro esperimenti, i ricercatori hanno stabilito che, circa da 1 a 2,5 miliardi di anni fa, la luna ospitava un campo magnetico relativamente debole, con una forza di circa 5 microtesla, due ordini di grandezza più debole del campo lunare da 3 a 4 miliardi di anni fa. Un calo così drammatico suggerisce a Weiss e ai suoi colleghi che la dinamo lunare potrebbe essere stata guidata da due meccanismi distinti.

Gli scienziati hanno proposto che la dinamo della luna potrebbe essere stata alimentata dall'attrazione gravitazionale della Terra. All'inizio della sua storia, la luna orbitava molto più vicino alla Terra, e la gravità terrestre, in così stretta vicinanza, potrebbe essere stato abbastanza forte da tirare e ruotare l'esterno roccioso della luna. Il centro liquido della luna potrebbe essere stato trascinato insieme al guscio esterno della luna, generando un campo magnetico molto forte nel processo.

Si pensa che la luna possa essersi allontanata sufficientemente dalla Terra circa 3 miliardi di anni fa, tale che la potenza disponibile per la dinamo da questo meccanismo è diventata insufficiente. Questo accade proprio nel periodo in cui l'intensità del campo magnetico lunare è diminuita. Potrebbe quindi essersi attivato un meccanismo diverso per sostenere questo campo indebolito. Mentre la luna si allontanava dalla Terra, il suo nucleo probabilmente ha sostenuto un basso punto di ebollizione attraverso un lento processo di raffreddamento per almeno 1 miliardo di anni.

"Mentre la luna si raffredda, il suo nucleo si comporta come una lampada di lava:il materiale a bassa densità sale perché fa caldo o perché la sua composizione è diversa da quella del fluido circostante, " dice Weiss. "È così che pensiamo che funzioni la dinamo terrestre, ed è quello che suggeriamo che stesse facendo anche la dinamo lunare tardiva".

I ricercatori stanno pianificando di analizzare anche le rocce lunari più giovani per determinare quando la dinamo si è spenta completamente.

"Oggi il campo della luna è essenzialmente zero, "Dice Weiss. "E ora sappiamo che si è spento da qualche parte tra la formazione di questa roccia e oggi".