1968年至1972年的NASA阿波羅計劃期間返回地球的岩石提供了大量關於月球歷史的信息，但它們也是一個持久之謎的來源。對這些岩石的分析顯示，一些岩石似乎是在強磁場的存在下形成的–一個跟地球的磁場強度相當的磁場。但不清楚一個月球大小的天體是如何產生那麼強的磁場的。
現在，由布朗大學地質科學家領導的研究為月球的磁性之謎提出了一個新的解釋。這項發表在《Nature Astronomy》上的研究表明，通過月球地幔下沉的巨大岩石構造可能產生了那種產生強磁場的內部對流。研究人員稱，這些過程可能在月球歷史的頭十億年裡產生了間歇性的強磁場。
布朗大學地球、環境和行星科學助理教授Alexander Evans說道：“我們對行星核心如何產生磁場的一切思考告訴我們，像月球這樣大小的天體不應該能產生像地球一樣強的磁場。但與其考慮如何在數十億年內持續為一個強磁場提供動力，也許有一種方法可以間歇性地獲得高強度的磁場。我們的模型顯示了這種情況如何發生，它與我們對月球內部的了解是一致的。”他跟斯坦福大學的Sonia Tikoo同為這項研究的論文作者。
行星體通過所謂的核心動力裝置產生磁場。緩慢消散的熱量導致行星核心中熔融金屬的對流。導電材料的不斷攪動是產生磁場的原因。這就是地球的磁場–它保護地球表面免受太陽最危險的輻射–的形成過程。
然而現在的月球缺乏磁場，其核心的模型表明，它可能太小了且缺乏對流力，無法產生一個持續的強磁場。為了使一個核心有一個強大的對流攪動，它需要耗散大量的熱量。Evans稱，在早期月球的情況下，圍繞地核的地幔並不比地核本身冷多少。因為地核的熱量沒有地方可去，所以地核中沒有多少對流。但這項新研究顯示，下沉的岩石如何提供了間歇性的對流動力。
這些下沉的石頭的故事始於月球形成后的幾百萬年。在其歷史的早期，月球被認為是被熔岩的海洋所覆蓋。隨着巨大的岩漿海洋開始冷卻和凝固，橄欖石和輝石等比液態岩漿密度大的礦物沉到了底部，而正長岩等密度較小的礦物則漂浮起來，形成了地殼。剩餘的液態岩漿富含鈦以及釷、鈾和鉀等產熱元素，因此它需要更長的時間來凝固。當這個鈦層最終在地殼下方結晶時，它的密度比它下面早期凝固的礦物要大。隨着時間的推移，鈦層通過下面密度較小的地幔岩石下沉，這一過程被稱為重力傾覆。
在這項新研究中，埃文斯和Tikoo模擬了這些鈦形成物如何下沉的動態過程以及它們最終到達月球核心時可能產生的影響。基於對月球目前的組成和估計的地幔粘度的分析表明，這些形成物可能會分成直徑為60公里的小塊並在約10億年的時間裡間歇性地下沉。
研究人員發現，當這些圓球最終觸底時，它們會給月球的核心動力帶來巨大的衝擊。由於棲息在月殼之下，這些鈦形成物的溫度相對較低–遠遠低於月核的估計溫度，即華氏2600至3800度之間。當冷卻的斑塊在下沉後跟熱的核心接觸時，溫度的不匹配將推動核心對流的增加–足以推動月球表面的磁場，其強度甚至比地球的磁場還要強。
Evans稱：“你可以把它想成有點像一滴水碰到了一個熱鍋。你有一個非常冷的東西接觸到核心，突然間大量的熱量就會湧出。這導致核心的攪動增加，這給你提供了這些間歇性的強磁場。”
研究人員指出，在月球存在的頭十億年裡，可能有多達100次這樣的下沉事件，而每一次都可能產生一個持續一個世紀左右的強磁場。
Evans表示，間歇性磁性模型不僅解釋了在阿波羅岩石樣本中發現的磁性特徵的強度，而且還解釋了磁性特徵在阿波羅系列中差異很大的事實–一些有強烈的磁性特徵，而另一些沒有。“這個模型能夠解釋我們在阿波羅樣本中看到的強度和變化性–這是其他模型無法做到的。它還為我們提供了一些關於這種鈦材料創始的時間限制，這使我們對月球的早期演變有了更好的了解。”
另外，他還表示，這個想法也是相當可測試的。它意味着月球上應該有一個弱磁背景，被這些高強度的事件所打斷。這在阿波羅系列中應該是很明顯的。Evans稱，雖然阿波羅樣本中的強磁性特徵像一個大拇指一樣突出，但較弱的特徵卻沒有得到關注。
那些弱信號和強信號的存在將給這個新想法帶來巨大的推動力，這可能最終使月球的磁性之謎得到解決。