Una bussola convenzionale sarebbe di scarsa utilità sulla luna, che oggi manca di un campo magnetico globale.

Ma la luna ha prodotto un campo magnetico miliardi di anni fa, ed era probabilmente anche più forte del campo terrestre di oggi. Gli scienziati ritengono che questo campo lunare, come quella della Terra, è stato generato da una potente dinamo, il rimescolamento del nucleo lunare. Ad un certo punto, questa dinamo, e il campo magnetico che ha generato, esaurito.

Ora gli scienziati del MIT e di altri paesi hanno stabilito i tempi della fine della dinamo lunare, a circa 1 miliardo di anni fa. I risultati appaiono oggi sulla rivista Progressi scientifici .

La nuova tempistica esclude alcune teorie su ciò che ha guidato la dinamo lunare nelle sue fasi successive e favorisce un meccanismo particolare:la cristallizzazione del nucleo. Mentre il nucleo di ferro interno della luna si cristallizzava, il fluido caricato elettricamente del nucleo liquido è stato agitato vivacemente, producendo la dinamo.

"Il campo magnetico è questa cosa nebulosa che pervade lo spazio, come un campo di forza invisibile, "dice Benjamin Weiss, professore di terra, atmosferico, e scienze planetarie al MIT. "Abbiamo dimostrato che la dinamo che ha prodotto il campo magnetico lunare è morta da qualche parte tra 1,5 e 1 miliardo di anni fa, e sembra che sia stato alimentato in modo simile alla Terra."

I coautori di Weiss sull'articolo sono i co-autori principali Saied Mighani e Huapei Wang, così come Caue Borlina e Claire Nichols del MIT, insieme a David Shuster dell'Università della California a Berkeley.

Teorie della dinamo da duello

Negli ultimi anni, Il gruppo di Weiss e altri hanno scoperto segni di un forte campo magnetico, di circa 100 microtesla, nelle rocce lunari vecchie di 4 miliardi di anni. Per confronto, Il campo magnetico terrestre oggi è di circa 50 microtesla.

Nel 2017, Il gruppo di Weiss ha studiato un campione raccolto dal progetto Apollo della NASA, e ha trovato tracce di un campo magnetico molto più debole, inferiore a 10 microtesla, in una roccia lunare hanno determinato di avere circa 2,5 miliardi di anni. Il loro pensiero all'epoca era che forse erano in gioco due meccanismi per la dinamo lunare:il primo avrebbe potuto generare un campo magnetico precedente circa 4 miliardi di anni fa, prima di essere sostituito da un secondo, meccanismo più longevo che sosteneva un campo molto più debole, fino ad almeno 2,5 miliardi di anni fa.

"Ci sono diverse idee su quali meccanismi hanno alimentato la dinamo lunare, e la domanda è, come si fa a capire quale è stato?" dice Weiss. "Si scopre che tutte queste fonti di energia hanno vite diverse. Quindi se riuscissi a capire quando la dinamo si è spenta, allora potresti distinguere tra i meccanismi che sono stati proposti per la dinamo lunare. Questo era lo scopo di questo nuovo documento".

La maggior parte degli studi magnetici sui campioni lunari delle missioni Apollo provengono da rocce antiche, risalente a circa 3 miliardi a 4 miliardi di anni. Queste sono rocce che originariamente vomitarono come lava su una superficie lunare molto giovane, e mentre si raffreddavano, i loro microscopici grani allineati nella direzione del campo magnetico lunare. Gran parte della superficie lunare è ricoperta di tali rocce, che sono rimasti invariati da allora, preservando una registrazione dell'antico campo magnetico.

Però, rocce lunari le cui storie magnetiche sono iniziate meno di 3 miliardi di anni fa sono state molto più difficili da trovare perché la maggior parte del vulcanismo lunare era cessato in quel momento.

"Gli ultimi 3 miliardi di anni di storia lunare sono stati un mistero perché non c'è quasi nessuna traccia su roccia di esso, " dice Weiss.

"Piccoli compassi"

Tuttavia, lui e i suoi colleghi hanno identificato due campioni di roccia lunare, raccolti dagli astronauti durante le missioni Apollo, che sembrano aver subito un impatto massiccio circa 1 miliardo di anni fa e, di conseguenza, sono stati fusi e saldati di nuovo insieme in modo tale che la loro antica registrazione magnetica è stata quasi cancellata.

Il team ha riportato i campioni in laboratorio e ha prima analizzato l'orientamento degli elettroni di ciascuna roccia, che Weiss descrive come "piccole bussole" che si allineano nella direzione di un campo magnetico esistente o appaiono con orientamenti casuali in assenza di uno. Per entrambi i campioni, il team ha osservato quest'ultimo:configurazioni casuali di elettroni, suggerendo che le rocce si siano formate in un campo magnetico da estremamente debole a essenzialmente zero, di non più di 0,1 microtesla.

Il team ha quindi determinato l'età di entrambi i campioni utilizzando una tecnica di datazione radiometrica che Weiss e Shuster sono stati in grado di adattare per questo studio.

Il team ha sottoposto i campioni a una serie di test per vedere se erano davvero buoni registratori magnetici. In altre parole, una volta che sono stati riscaldati da un impatto massiccio, avrebbero potuto essere ancora abbastanza sensibili da registrare anche un debole campo magnetico sulla luna, se esistesse?

Per rispondere a questo, i ricercatori hanno messo entrambi i campioni in un forno e li hanno fatti esplodere con alte temperature per cancellare efficacemente la loro registrazione magnetica, quindi ha esposto le rocce a un campo magnetico generato artificialmente in laboratorio mentre si raffreddavano.

I risultati hanno confermato che i due campioni erano effettivamente registratori magnetici affidabili e che l'intensità di campo misurata inizialmente, di 0,1 microtesla, ha rappresentato accuratamente il valore massimo possibile del campo magnetico estremamente debole della luna 1 miliardo di anni fa. Weiss dice che un campo di 0,1 microtesla è così basso che è probabile che la dinamo lunare sia finita a quest'ora.

Le nuove scoperte si allineano con la durata prevista della cristallizzazione del nucleo, un meccanismo proposto per la dinamo lunare che potrebbe aver generato un campo magnetico debole e di lunga durata nella parte successiva della storia della luna. Weiss dice che prima della cristallizzazione del nucleo, un meccanismo noto come precessione potrebbe aver alimentato una dinamo molto più forte anche se di breve durata. La precessione è un fenomeno per cui il guscio esterno solido di un corpo come la luna, in prossimità di un corpo molto più grande come la Terra, oscilla in risposta alla gravità terrestre. Questa oscillazione solleva il fluido nel nucleo, il modo in cui agitare una tazza di caffè solleva il liquido all'interno.

Circa 4 miliardi di anni fa, la luna neonata era probabilmente molto più vicina alla Terra di quanto non lo sia oggi, e molto più suscettibile agli effetti gravitazionali del pianeta. Mentre la luna si allontanava lentamente dalla Terra, l'effetto della precessione è diminuito, indebolendo a sua volta la dinamo e il campo magnetico. Weiss dice che è probabile che circa 2,5 miliardi di anni fa, la cristallizzazione del nucleo divenne il meccanismo dominante attraverso il quale la dinamo lunare continuò, producendo un campo magnetico più debole che ha continuato a dissiparsi mentre il nucleo della luna alla fine si è completamente cristallizzato.

Il gruppo sta cercando di misurare la direzione dell'antico campo magnetico lunare nella speranza di raccogliere maggiori informazioni sull'evoluzione della luna.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.