嫦娥五號玄武巖揭示20億年前月球存在弱磁場|蔡書慧等-SA

由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的月球磁場可以反映其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及熱狀態(tài)，也能影響月表環(huán)境。因此，認(rèn)識月球磁場的變化過程可以為理解月球演化歷史提供重要約束。阿波羅時代至今的遙感數(shù)據(jù)和月表原位測量表明月球現(xiàn)在不存在類似地磁場的全球性偶極磁場，但阿波羅返回樣品的古強(qiáng)度數(shù)據(jù)以及部分磁化的月殼（圖1）指示月球可能曾有過發(fā)電機(jī)磁場。但是已有的現(xiàn)代月球古強(qiáng)度數(shù)據(jù)主要集中在30億年前，30億年后的阿波羅數(shù)據(jù)均來自于經(jīng)歷過強(qiáng)烈沖擊改造的表土角礫巖，導(dǎo)致部分學(xué)者質(zhì)疑其記錄的磁場可能受撞擊影響，且準(zhǔn)確限定這些角礫巖的形成年齡比較困難。因此，目前對于月球發(fā)電機(jī)磁場持續(xù)時間及其中晚期演化過程仍存在較大爭議。

圖1月球表面磁異常分布圖。五角星、圓形和方塊代表嫦娥五號、阿波羅和月球號探測任務(wù)著陸點

我國嫦娥五號任務(wù)從風(fēng)暴洋區(qū)域采集了人類首批月球中緯度玄武巖樣品（圖1），玄武巖受到撞擊改造程度一般較小，能夠代表火山噴發(fā)時的月球古磁場強(qiáng)度。以李獻(xiàn)華研究員團(tuán)隊為代表的中外學(xué)者獲得的嫦娥五號玄武巖噴發(fā)年齡為~20億年，代表迄今為止最年輕的月球玄武巖返回樣品，這些年輕玄武巖為獲取月球中晚期古磁場數(shù)據(jù)提供了獨特的機(jī)遇。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所朱日祥研究員、蔡書慧副研究員及研究團(tuán)隊聯(lián)合中國科學(xué)院國家天文臺、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）等單位對獲批的9顆毫米級玄武巖巖屑樣品開展了詳細(xì)的磁學(xué)分析，相關(guān)結(jié)果為認(rèn)識月球發(fā)電機(jī)中晚期演化歷史提供了關(guān)鍵約束。

針對月球返回樣品稀有量少、磁信號弱等特點，團(tuán)隊建立一套適合地外微小、弱磁樣品的高精度、低損耗磁學(xué)方法研究體系，為嫦娥五號及后續(xù)深空探測返回樣品磁學(xué)研究提供技術(shù)支持和保障。該研究采用多種古強(qiáng)度測試方法，獲得了月球20億年前可靠的發(fā)電機(jī)磁場信息。研究顯示，月球在距今20億年前仍存在一個較弱的發(fā)電機(jī)過程，所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為~2–4 μT（圖2）。這一結(jié)果表明20億年前月球深部仍保持一定的熱對流或熱傳導(dǎo)，其驅(qū)動能量可能來源于內(nèi)核結(jié)晶、進(jìn)動、鈦鐵礦堆晶下沉等過程，仍然具有活力的月球深部可能為月球年輕火山活動貢獻(xiàn)了一定的熱量（圖3）。

圖2月球磁場強(qiáng)度演化圖。紅色和藍(lán)色五角星代表嫦娥五號樣品非加熱和加熱方法古強(qiáng)度。黑色符號代表經(jīng)過篩選的已發(fā)表阿波羅樣品古強(qiáng)度，其中空心符號代表強(qiáng)度值上限

圖3嫦娥五號玄武巖樣品揭示20億年前月球存在弱的發(fā)電機(jī)磁場，指示該時期月球深部仍具有一定活力

研究成果以封面文章發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Science Advances，封面文字介紹：“月球磁場的演化有助于解譯月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、熱歷史和表面環(huán)境。蔡等人利用嫦娥五號任務(wù)從月球中緯度的風(fēng)暴洋采集的月海玄武巖樣品，揭示了20億年前月球存在一個微弱的發(fā)電機(jī)磁場。他們的研究還提出了年輕月球火山活動起源的另一種可能機(jī)制。這些研究成果將有助于推動月球太空風(fēng)化和揮發(fā)性物質(zhì)的相關(guān)研究”。

期刊邀請國際行星領(lǐng)域著名學(xué)者麻省理工學(xué)院Benjamin P. Weiss教授撰寫了題為《The Moon goddess’s magnetic midlife》的聚焦文章，重點解讀本研究成果，并與本文同期發(fā)表。Weiss教授在文中提到嫦娥五號玄武巖是目前返回的最年輕的玄武巖樣品、剩磁載體比較理想、采樣緯度更高，作者們抓住嫦娥五號這些獨特的優(yōu)勢，通過細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯抗ぷ鳙@得嫦娥五號玄武巖記錄的月球磁場古強(qiáng)度，提出月球發(fā)電機(jī)可能至少持續(xù)到了月球演化的中期，并創(chuàng)新性的利用嫦娥五號獨特的地理位置嘗試討論月球磁場形態(tài)分布，為認(rèn)識月球磁場幾何形態(tài)提供了寶貴信息。

研究成果發(fā)表于Science Advances（蔡書慧*，秦華峰，王華沛，鄧成龍，楊賽紅，徐亞，張馳，唐旭，谷立新，李曉光，沈中山，章敏，何況，祁鍇賢，樊耘暢，董良，侯祎斐，石平原，劉雙遲，蘇菲，陳意，李秋立，李金華，Ross N. Mitchell，賀懷宇，李春來，潘永信，朱日祥. Persistent but weak magnetic field at the Moon’s midstage revealed by Chang’e-5 basalt [J].?Science Advances, 2025, 11: eadp3333. DOI: 10.1126/sciadv.adp3333。研究受國家自然科學(xué)基金委 （42241101, 42388101, 42488201, 42030205）、中國科學(xué)院和研究所重點部署 （ZDBS-SSWJSC007-3, IGGCAS-202401）項目共同資助。

美編 | 陳永焱

校對 | 劉強(qiáng)