球的奧秘

節錄自歐米茄《LIFETIME雜誌》「磁號」


稿:Clay Dillow


球的起源向來令科學界為之著迷。它是誕生自災難性的天體碰撞,或是與太陽系同時形成的原始星球?答案或許就藏在磁性月岩中。

人類始終對月球這個磁性天體懷抱獨特憧憬,其超脫塵俗卻又恆久相伴;詩意靈性而又質樸實切。

它長掛於夜空,隨月相盈虧得知歲月流逝和四季更迭。從地球即可目視到的星球中,月球離我們最近,如此熟悉卻又遺世獨立。在人類大部分歷史中,月球只能遠觀卻無可觸及,它的構造與起源始終是個謎。直到半世紀前,阿波羅號太空人揭開月球表面的神秘面紗,帶回首個來自其他星體的實物——岩石,與地球的岩石並無大差異之處。 而在科學家手握曾經無法觸及的月球後,這些相同的岩石又掀起另一個月球謎團。在阿波羅號登月前,行星科學家知道月球缺乏星球磁場,有別於已演化的火山星球(如球)。而,大空人帶回的岩石樣本卻說明了全然不同的實:月球曾經活躍且擁有強大磁場,但卻於數十億年前神秘地消失了。經過40多年,科學家仍在試圖解開月球磁場消失之謎,並或能歸納出一些成因。

「這個星球是否擁有自身的地質歷史,或僅僅是太空塵的聚合物?」

Benjamin Weiss博士,行星科學教授

月球發電機效應

「現在有關月球科學的大哉問就是:月球與其他星球(如已演化的地球或火星)有何相似之處?它作為一個原始天體和太陽系形成時所遺下的產物有何特別之處?」來自麻省理工學院(MIT)的行星科學教授Benjamin Weiss如此問道。「這個星球是否擁有自身的地質歷史,或僅僅是太空塵的聚合物?」

對於行星科學家而言,題的答案或能解釋月球本身的源。目前最廣為接受的月球起源論,是月球與地球乃系出同源,在太陽系形成之初的混沌期,地球因大碰撞而分裂出月球。另一學說則主張月球形成於太陽系他處,集的物質形成類似於小行星的球,且恰好受到地球的引力牽引。月球本身具備的星球磁場及熾熱熔融時期的力,均支持著大碰撞假說,並讓我們進一步了解地球的歷史與早期太陽系的成。而,從阿波羅號大空船帶回的磁性樣本卻使科學家感到困惑。地球透過熔漿在外核中的流動而產生星球磁場,此現象稱之為發電機效應(dynamo)。而月球的體積較地球小,這代表月球早期若有任何發電機效應,應會迅速冷卻、慢,最後停止流動。科學家再次為地磁相對強度的難題所困。從阿波羅號太空船帶回的岩石中發現,月球曾經擁有的磁場強度毫不遜色於地球。但是相較於地球,月球體積細小且發電機效應微不足道,其磁場理應微弱得多。在阿波羅時代後的數十年,科學家持續深研此問題。部分人支持的理論認為月球的發電機效應數億年來或許以不同於常規模式的方式加以驅動。其他則探索磁力本身,認為月球表面的小行星撞擊可能造成暫時性的場,且磁力強大到足以讓熔漿物質產生磁性,並隨之冷卻成熔岩。直至最近幾年,科學家才得以應用嶄新工具、科技及數據,找出全新方式繼續調查研究。在探尋月球磁場何以消失的謎團時,原來時機便是關鍵。

大碰撞理論

自2006年起,Weiss教授與幾位同事開始使用全新且更先進的儀器重新檢驗阿波羅號太空船帶回的石,希望能更了解月球岩石的史,不僅研究其形成的間,更了解其冷卻凝固所需的間。

他表示:「這個過程的關鍵因素就在於時機,如果我們想要了解磁場的史,我們就必須計算岩石的份。這就是我們研究的點:將岩石的磁化程度結合計時法,從而得知岩石的形成時間。」研究團隊透過此計時法獲得了有關月岩樣本更為詳盡的史,並動搖月球磁場的「大碰撞理論」。運用阿波羅時代科學家所匱乏的先進科技,研究團隊得以辨識岩石冷卻所耗費的時間是幾天、幾個月,甚至幾千年;任何轉瞬即逝、與大碰撞有關所形成的磁場都不可能在月球表面持續如此之久。若要讓這些需要長久時間來冷卻的岩石維持磁性,磁場必須存在極久,有些情況甚至需存數千年的場,證明月球於數十億年前確實擁有如同地球的發電機效應。過,發電機效應如何形成如此強大的場?Weiss教授表示:「我們研究這個議題,是因為我們尚未了解星球產生磁場的詳細情形,月球看似確實擁有過發電機效應,但我們不知道這麼小的星體如何創造如此強大的場。這確實是個謎,也是此理論一開始備受質疑的中一個原因,因為實在太奇怪了。至今仍無人可解。」儘管如此,擁有發電機效應意味著月球曾擁有過熾熱、躍的地質歷史。他說道「這是對最初月球起源大碰撞理論的嚴酷考驗。」這不僅是月球研究的重大發展,也有助於我們更深入了解地球,讓我們明白地球與月球的相似之處,及兩者之後如何隨著時間而有所差異。Weiss教授表示:「地球與月球如出一轍,擁有相同的源,了解地球與月球的經歷後,其各自的演變令人嘆為觀止。這也突顯出地球的獨特之處。」

「地球與月球如出一轍,擁有相同的源。」

Benjamin Weiss博士,行星科學教授

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