Seit Jahrzehnten behaupten Wissenschaftler, dass sich das Erde-Mond-System infolge einer Kollision zwischen der Erde und einem marsgroßen Objekt vor etwa 4,5 Milliarden Jahren gebildet hat. Diese als Giant Impact Hypothesis bekannte Theorie erklärt, warum Erde und Mond in Struktur und Zusammensetzung ähnlich sind. Interessanterweise haben Wissenschaftler auch festgestellt, dass der Mond in seiner frühen Geschichte eine Magnetosphäre hatte - ähnlich wie die Erde heute.
Eine neue Studie, die von Forschern des MIT (mit Unterstützung der NASA) durchgeführt wurde, zeigt jedoch, dass das Magnetfeld des Mondes zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich stärker gewesen sein könnte als das der Erde. Sie waren auch in der Lage, strengere Beschränkungen aufzuerlegen, als dieses Feld verblasste, und behaupteten, es wäre vor etwa 1 Milliarde Jahren geschehen. Diese Ergebnisse haben dazu beigetragen, das Rätsel zu lösen, welcher Mechanismus das Magnetfeld des Mondes im Laufe der Zeit antreibt.
Die Studie, die kürzlich in der Zeitschrift erschien Fortschritte in der Wissenschaftwurde von Saied Mighani geleitet, einem experimentellen Gesteinsphysiker am MIT-Department für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften. Zu ihm gesellten sich Mitglieder des Berkeley Geochronology Center der UC Berkeley und der China University of Geosciences, die zusätzlich vom berühmten EAPS-Professor Dr. Benjamin Weiss unterstützt wurden.
Zusammenfassend ist das Magnetfeld der Erde für das Leben, wie wir es kennen, von wesentlicher Bedeutung. Wenn einfallende Sonnenwindpartikel die Erde erreichen, werden sie von diesem Feld abgelenkt und bilden einen Bogenschock vor der Erde und einen Magnetschwanz dahinter. Die verbleibenden Partikel lagern sich an den Magnetpolen ab, wo sie mit unserer Atmosphäre interagieren, wodurch die Auroren in den nördlichen und südlichen Hemisphären entstehen.
Ohne dieses Magnetfeld wäre die Erdatmosphäre im Laufe von Milliarden von Jahren langsam vom Sonnenwind entfernt und zu einem kalten, trockenen Ort geworden. Es wird angenommen, dass dies auf dem Mars geschah, wo vor 4,2 bis 3,7 Milliarden Jahren eine einst dickere Atmosphäre erschöpft war und das gesamte flüssige Wasser auf seiner Oberfläche dadurch entweder verloren ging oder gefroren war.
Im Laufe der Jahre hat die Weiss-Gruppe durch die Untersuchung von Mondgesteinen gezeigt, dass der Mond vor etwa 4 Milliarden Jahren auch ein starkes Magnetfeld mit einer Stärke von etwa 100 Mikroteslas hatte (während die Erde heute etwa 50 Mikroteslas aufweist). 2017 untersuchten sie Proben, die von Apollo-Astronauten gesammelt wurden und auf etwa 2,5 Milliarden Jahre datiert waren, und fanden ein viel schwächeres Feld (weniger als 10 Mikroteslas).
Mit anderen Worten, das Magnetfeld des Mondes wurde vor 4 bis 2,5 Milliarden Jahren um den Faktor fünf geschwächt und verschwand dann vor etwa 1 Milliarde Jahren vollständig. Zu dieser Zeit stellten Weiss und seine Kollegen die Theorie auf, dass möglicherweise zwei Dynamomechanismen im Inneren des Mondes für diese Änderung verantwortlich waren.
Kurz gesagt, sie argumentierten, dass ein erster Dynamoeffekt vor etwa 4 Milliarden Jahren ein viel stärkeres Magnetfeld erzeugt haben könnte. Dann, vor 2,5 Milliarden Jahren, wurde es durch einen zweiten Dynamo ersetzt, der langlebiger war, aber ein viel schwächeres Magnetfeld aufrechterhielt. Wie Dr. Weiss in einer MIT-Pressemitteilung erklärte:
„Es gibt verschiedene Ideen, welche Mechanismen den Monddynamo antreiben, und die Frage ist, wie Sie herausfinden, welcher dies getan hat. Es stellt sich heraus, dass alle diese Stromquellen unterschiedliche Lebensdauern haben. Wenn Sie also herausfinden könnten, wann der Dynamo ausgeschaltet wurde, könnten Sie zwischen den Mechanismen unterscheiden, die für den Monddynamo vorgeschlagen wurden. Das war der Zweck dieses neuen Papiers. “
Bisher war es eine große Herausforderung, Mondgesteine zu erhalten, die weniger als 3 Milliarden Jahre alt sind. Der Grund dafür liegt in der Tatsache, dass die vor 4 Milliarden Jahren auf dem Mond übliche vulkanische Aktivität vor etwa 3 Milliarden Jahren aufhörte. Glücklicherweise konnte das MIT-Team zwei Proben von Mondgestein identifizieren, die von den Apollo-Astronauten erhalten wurden und vor 1 Milliarde Jahren durch einen Aufprall entstanden sind.
Während diese Gesteine durch den Aufprall geschmolzen und dann wieder verfestigt wurden, wodurch ihre magnetische Aufzeichnung gelöscht wurde, konnte das Team Tests an ihnen durchführen, um ihre magnetische Signatur zu rekonstruieren. Zunächst analysierten sie die Ausrichtung der Elektronen des Gesteins, die Weiss als „kleine Kompasse“ bezeichnet, da sie sich entweder in Richtung eines vorhandenen Magnetfelds ausrichten oder in Abwesenheit eines fehlenden Magnetfelds erscheinen würden.
In beiden Proben beobachtete das Team letzteres, was darauf hindeutete, dass sich die Gesteine in einem extrem schwachen Magnetfeld von nicht mehr als 0,1 Mikroteslas (möglicherweise überhaupt keinem) bildeten. Es folgte eine radiometrische Datierungstechnik, die von Weiss und David L. Shuster (Forscher am Berkeley Geochronology Center und Mitautor der Studie) für diese Studie angepasst wurde. Diese Ergebnisse bestätigten, dass die Gesteine tatsächlich 1 Milliarde Jahre alt waren.
Schließlich führte das Team Hitzetests an den Proben durch, um festzustellen, ob sie zum Zeitpunkt des Aufpralls eine gute magnetische Aufzeichnung liefern konnten. Dies bestand darin, beide Proben in einen Ofen zu legen und sie den hohen Temperaturen auszusetzen, die durch einen Aufprall entstanden wären. Beim Abkühlen setzten sie sie im Labor einem künstlich erzeugten Magnetfeld aus und bestätigten, dass sie es aufzeichnen konnten.
Diese Ergebnisse bestätigen, dass die ursprünglich vom Team gemessene Magnetstärke (0,1 Mikroteslas) genau ist und dass vor 1 Milliarde Jahren der Dynamo, der das Magnetfeld des Mondes antreibt, wahrscheinlich beendet war. Wie Weiss ausdrückte:
„Das Magnetfeld ist dieses nebulöse Ding, das den Raum durchdringt, wie ein unsichtbares Kraftfeld. Wir haben gezeigt, dass der Dynamo, der das Magnetfeld des Mondes erzeugt hat, vor 1,5 bis 1 Milliarde Jahren gestorben ist und auf erdähnliche Weise angetrieben worden zu sein scheint. "
Wie bereits erwähnt, hilft diese Studie auch dabei, die Debatte darüber zu lösen, was den Monddynamo in seinen späteren Stadien angetrieben hat. Obwohl mehrere Theorien vorgeschlagen wurden, stimmen diese neuen Erkenntnisse mit der Theorie überein, dass die Kernkristallisation verantwortlich ist. Grundsätzlich besagt diese Theorie, dass der innere Kern des Mondes im Laufe der Zeit kristallisierte, den Fluss elektrisch geladener Flüssigkeit verlangsamte und den Dynamo stoppte.
Weiss schlägt vor, dass die Präzession zuvor möglicherweise dafür verantwortlich war, einen viel stärkeren (aber kurzlebigen) Dynamo anzutreiben, der das starke Magnetfeld erzeugt hätte. Dies steht im Einklang mit der Tatsache, dass der Mond vor 4 Milliarden Jahren vermutlich viel näher an der Erde umkreist ist. Dies hätte dazu geführt, dass die Schwerkraft der Erde einen weitaus größeren Einfluss auf den Mond hatte, wodurch sein Mantel wackelte und die Aktivität im Kern aufwirbelte.
Als der Mond langsam von der Erde wegwanderte, nahm der Präzessionseffekt ab und der Magnetfeld erzeugende Dynamo würde schwächer werden. Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren wurde die Kristallisation zum dominierenden Mechanismus, durch den der Monddynamo fortgesetzt wurde, und erzeugte ein schwächeres Magnetfeld, das anhielt, bis der äußere Kern vor einer Milliarde Jahren schließlich kristallisierte.
Studien wie diese könnten auch dazu beitragen, das Rätsel zu lösen, warum Planeten wie Venus und Mars ihre Magnetfelder verloren haben (was zum katastrophalen Klimawandel beiträgt) und wie die Erde eines Tages ihre eigenen verlieren könnte. In Anbetracht seiner Bedeutung für die Bewohnbarkeit könnte ein besseres Verständnis von Dynamos und Magnetfeldern auch bei der Suche nach bewohnbaren Exoplaneten hilfreich sein.
