45億年前，地球表面是一片危險、炎熱的大地。在生命出現之前很久，溫度就已經很高了，空氣也是有毒的。此外，當我們還是個蹣跚學步的孩子時，太陽就用稱為耀斑和日冕物質拋射的劇烈輻射轟炸了我們的星球。被稱為太陽風的帶電粒子流威脅著我們的大氣層。簡而言之，我們的星球是不適合居住的。
地球和月球，由上世紀90年代伽利略任務的兩幅圖片合成而成，有著悠久的共同歷史。幾十億年前，他們的磁場是連接在一起的。
但是一個鄰近的屏障可能幫助我們的星球保持它的大氣層，並最終發展出生命和適宜居住的條件。NASA 在《科學進展》雜誌上發表的一項研究稱，這個保護層就是月球。
NASA首席科學家、這項新研究的主要作者吉姆·格林(Jim Green)說，「月球似乎為地球提供了一個實質性的防護屏障，對地球在此期間保持大氣層的能力至關重要。」「我們期待著在NASA通過阿耳忒彌斯計劃將太空人送上月球時繼續跟進這些發現，該項目將帶回月球南極的關鍵樣本。」
月球簡史根據主流理論，月球形成於45億年前，當時我們的地球還不到1億年之久，一個名為忒亞(Theia)的火星大小的物體撞擊到原始地球上。碰撞產生的碎片聚集成月球，而其他殘餘物重新融入了地球。由於重力，月亮的存在穩定了地球的自轉軸。那時，我們的地球自轉得更快，一天只有5個小時。
在早期，月球離我們也很近。由於月球的引力作用在海洋上，水會被略微加熱，能量就會被消耗掉。這就導致月球以每年1.5英寸的速度遠離地球，或者說大約是兩個10美分硬幣的寬度。隨著時間的推移，這就足夠了。到40億年前，月球離地球的距離是現在的三分之——大約8萬英裡，而現在的距離是23萬8千英裡。在某個時刻，月球也變得「潮汐鎖定」，這意味著地球只能看到月球的一面。
物理學家曾經認為，月球從未有過一個持久的全球磁場，因為它的核心很小。磁場使電荷沿著看不見的線移動，這些線在兩極向月球彎曲。科學家們很早就知道地球的磁場，這種磁場在北極和南極地區形成了色彩豔麗的極光。
磁場起著屏蔽作用，使電荷沿著它看不見的線移動。科學家們很早就知道地球的磁場，這種磁場在北極和南極地區形成了色彩豔麗的極光。在地球深處，液態鐵和液態鎳的運動仍然在流動，這是因為地球形成過程中留下的熱量。這些運動產生的磁場構成了圍繞地球磁層的保護性氣泡。
通過對阿波羅任務中月球表面樣本的研究，科學家們發現月球曾經也有一個磁層。這些封存了幾十年的樣本，最近用現代技術進行了分析，證據不斷增加。
像地球一樣，月球形成時產生的熱量會使鐵保持在月球內部深處流動，但由於月球的大小，鐵的流動時間不會那麼長。
「這就像烤蛋糕：你把它從烤箱裡拿出來，它還在冷卻，」格林說。「質量越大，冷卻所需的時間就越長。」
這項新的研究模擬了大約40億年前地球和月球磁場的變化。物理學家們建立了一個計算機模型來觀察磁場在各自軌道的兩個位置的行為。
科學家們寫道，在某些時候，月球的磁層可能會成為地月系統遭受強烈太陽輻射的屏障。這是因為，根據這個模型，月球和地球的磁球在每個天體的兩極區域都有磁性連接。對於地球的演化很重要的一點是，高能的太陽風粒子不能完全穿透耦合磁場並剝離大氣層。
當月球有磁場時，地球就會被屏蔽，不受太陽風的影響，如圖所示。
圖片來源：NASA
但地球和月球也有一些大氣交換。來自太陽的極端紫外線會將地球最高層大氣中的中性粒子中的電子剝離，使這些粒子帶電，並使它們能夠沿著月球磁場線前往月球。這可能也是當時月球保持稀薄大氣的原因之一。月球巖石樣本中氮的發現支持了這樣一種觀點，即以氮為主的地球大氣層促成了月球的古代大氣及其地殼。
科學家們計算出，地球和月球的磁球結合在一起的磁場共享情況可能在41億到35億年前一直存在。
根據一項新的研究，這幅圖展示了地球和月球是如何在數十億年前就有磁場連接起來的，這有助於保護它們的大氣層免受破壞性太陽粒子流的影響。
圖片來源：NASA
「了解月球磁場的歷史不僅有助於我們了解早期大氣，還有助於我們了解月球內部是如何演變的，」美國宇航局副首席科學家和研究合著者大衛·德雷珀(David Draper)說。「它告訴我們月球的核心可能是什麼樣子的——可能是在其歷史的某個時刻液態和固態金屬的結合——這是月球內部如何工作的一個非常重要的謎團。」
隨著時間的推移，隨著月球內部的冷卻，我們最近的鄰居失去了磁層，最終失去了大氣層。磁場在32億年前就顯著減少，在大約15億年前消失。如果沒有磁場，太陽風就會將大氣層剝離。這也是火星失去大氣層的原因：太陽輻射將大氣層剝離。
科學家們說，如果我們的月球在關鍵的早期起到了保護我們的星球免受有害輻射的作用，那麼在銀河系中，可能還有其他的衛星在類地系外行星周圍，以類似的方式幫助它們的主行星保持大氣層，甚至有助於創造適宜居住的條件。這對研究生命起源和尋找地球以外的生命的天體生物學領域來說是很有意義的。
人類探索可以告訴我們更多這項模擬研究為地球和月球的遠古歷史如何有助於地球早期大氣的保存提供了思路。神秘而複雜的過程很難弄清楚，但來自月球表面的新樣本將提供解開謎團的線索。
隨著NASA計劃通過阿耳忒彌斯項目在月球上建立一個可持續的人類存在，可能會有多種機會來驗證這些想法。當太空人從地球和月球磁場聯繫最緊密的月球南極帶回第一批樣品時，科學家可以尋找地球古代大氣的化學特徵，以及由隕石和小行星撞擊產生的水等揮發性物質。科學家們對月球南極數十億年來從未見過陽光的地區——即「永久陰影區」——特別感興趣，因為嚴酷的太陽粒子不會帶走揮發性物質。
例如，氮和氧可能沿著磁場線從地球到月球，並被困在這些巖石中。
格林說：「來自這些永久陰影區域的重要樣本對於我們理清地球揮發物質的早期演化，檢驗我們的模型假設至關重要。」
論文的其他合著者是來自巴爾的摩縣馬裡蘭大學的斯科特·博德森（Scott Boardsen）和新澤西州普林斯頓大學的董傳飛（Chuanfei Dong）。