曾為地球「挺身而出」的磁場

2020-10-22 原理



巴黎天文臺領導的Exoplanet Team數據顯示，截至目前，人類已經確認了4363顆系外行星，它們分布在3224個行星系統中。然而，目前人類的搜尋範圍在銀河系中仍然非常有限。據估計，我們這個星系中存在著數千億顆恆星，這些恆星大多都有圍繞其運行的行星，許多行星還有屬於自己的衛星。


太陽只是銀河系中數千億顆恆星中的一個，這些恆星絕大多數都有圍繞其運行的行星。天文學家仍在繼續搜尋我們周圍的地外行星。| 圖片來源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Science


在系外行星的探索研究中，科學家格外關心的一個問題便是星球的宜居性。一顆行星（或衛星）是否宜居取決於許多因素，其中關鍵的一個就是它是否有一個長期存在的強大的磁場。


行星的全球性磁場就像星球的「保護罩」一樣，它通常產生於表面之下數千千米的液態核中，由核中的液態熔鐵運動產生，一直延伸到遙遠的太空中。現如今，我們的地球就擁有這樣一個強大的全球性磁場，它保護著大氣和低軌道衛星免受嚴酷的太陽輻射的傷害。


維持核中液體的運動需要能量，比如核中的熱。當能量不足時，磁場就會隨之消失。在缺乏全球性磁場的情況下，太陽風（來自太陽的輻射）的帶電粒子在靠近行星時會產生電場，電場則會加速帶電粒子離開大氣，行星因此很難繼續維持大氣的存在。這一過程就在如今的火星上發生，它導致的後果是，火星失去了原有的大氣。太陽風也會與大氣相撞，把分子撞到太空中。這些對我們已知的生命形式來說絕對是個壞消息。


我們唯一的長期衛星——月球的情況似乎更為複雜。近日，一項發表於《科學進展》上的新研究表明，現在已經消失的月球磁場可能曾經保護了地球的大氣，從而可能對40億年前生命的誕生產生了影響。



根據主流的月球誕生假說，一個火星大小的天體「忒伊亞」與原始地球相撞，產生的碎片形成了地球與月球。在這種假設下，月球的鐵核應該比忒伊亞的核要小得多，因此，長期以來，人們一直認為月球是沒有能力以這麼小的核產生並維持一個全球性磁場的。


上個世紀，阿波羅12號的太空人帶著磁強計登上了月球。在月球表面的測量顯示，月球具有非常微弱的磁場，其強度僅為如今地球磁場的千分之一。然而，對月巖的分析則帶來了一段關於月球的出乎意料的歷史故事。


科學家會藉助古老巖石中包含的小顆粒，來探測古老的磁場。這些顆粒在巖石形成時被磁化，從而儲存下了當時、當地的磁場方向和強度等信息。但這並非易事，因為這種巖石非常罕見，提取它們的磁信號需要細緻的實驗室測量。


而對月巖進行的古磁場測量清楚地表明，在月球歷史中最早的數億年間，一定存在著一個月球磁層。在大約40億年前，月球的磁場甚至比如今的地球磁場更強大，然而，到了32億年前，月球磁場強度突然下降到了弱場狀態。最終，它隨著時間神秘地消失了。


月巖顯示的月球磁場歷史變化示意圖。| 圖片來源：Green, J. et al./Science Advances


同時，一些古地磁研究還顯示，地球在至少35億年前產生了磁場（也有研究認為，可能早在42億年前磁場就已經產生），但古老磁場的平均強度大約只有如今地磁場的一半。


新的研究探索了地球和月球的早期磁場是如何相互作用的。在兩個磁場的磁極方向同向或相反的情況下，研究人員分別對它們之間的相互作用進行了模擬。


有趣的是，模擬發現，兩個磁場的相互作用會延伸到地球與太陽之間的近地太空區域，也就是說，地球與月球的耦合磁層在劇烈的太陽風來襲時，能提供一種強大的緩衝，幫助減緩了地球大氣的損失。


模擬結果（磁場兩極方向相反）的簡化示意圖。太陽風從左向右移動，地月耦合磁層提供了一種強大的緩衝。| 圖片來源：Green, J. et al./Science Advances（圖片有簡略，原圖可查閱論文）



利茲大學地球物理學家Christopher Davies和Jon Mound認為，這項新研究是邁出的有趣的第一步，它能幫助我們了解地球早期歷史中磁場的更多細節，同時，認識這些影響這對評估行星宜居性同樣十分重要。但想要確切地知道更多信息，還需要進一步的建模以及更多的測量數據。


值得指出的是，強大的磁場也並非行星宜居性的保證，行星的表面和深部的環境也很重要，來自太空的影響也不可忽視。比如，太陽的亮度和太陽活動已經經歷了數十億年的演變，太陽風剝離大氣的能力也在隨之變化。


所有這些因素對行星宜居性的演變以及生命的進化，都可能帶來影響，它們的性質和相互作用的方式也可能隨著地質時間的推移而改變，而我們對此仍知之甚少。這就像一張迷人的拼圖，值得慶幸的是，新研究在這張拼圖上又增加了一小片。


參考來源：

https://theconversation.com/life-on-earth-why-we-may-have-the-moons-now-defunct-magnetic-field-to-thank-for-it-148111

https://advances.sciencemag.org/content/6/42/eabc0865

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/popular-information/


封面來源：NASA

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