2024年6月25日，嫦娥六號(hào)成功將來(lái)自月球背面的樣本帶回地球，這是人類(lèi)歷史上首次從這一永遠(yuǎn)背對(duì)地球的未知世界獲取實(shí)物證據(jù)。一年來(lái)，中國(guó)科學(xué)家圍繞這批月背樣品開(kāi)展了系統(tǒng)研究，其中有四項(xiàng)成果登上《自然》雜志封面，分別涉及月球的巖漿活動(dòng)、古磁場(chǎng)、地幔含水量與深部成分演化。

在前兩篇基于嫦娥六號(hào)月壤樣本的文章中，研究揭示出月球背面的滾燙歲月，以及它是月球最“貧瘠”的巖漿，卻講述了一個(gè)掏空月球內(nèi)部的巨大撞擊故事。我們已經(jīng)知道，對(duì)嫦娥六號(hào)帶回的月球背面樣本分析后發(fā)現(xiàn)，月球背面在43億年前左右經(jīng)歷過(guò)一次足以掏空深部成分的巨型撞擊，而且即使在28億年前月球背面仍存在活躍火山噴發(fā)。

此外，這些樣本又講述了另一段隱藏在巖石中的秘密——曾經(jīng)被認(rèn)為早已“死亡”的月球磁場(chǎng)，在28億年前似乎再次蘇醒。

磁場(chǎng)是什么，它為何重要？

在討論月球磁場(chǎng)之前，我們首先需要了解磁場(chǎng)在行星科學(xué)中的意義。

我們每個(gè)人應(yīng)該都對(duì)磁場(chǎng)不陌生，無(wú)論是從小在各種玩具中出現(xiàn)的磁鐵，還是初高中物理課上用鐵屑視覺(jué)化展示磁鐵磁場(chǎng)分布的實(shí)驗(yàn)，都非常直觀地告訴我們——磁鐵周?chē)嬖谝粋€(gè)看不見(jiàn)的力場(chǎng)。

用鐵屑顯示的磁鐵周?chē)拇艌?chǎng)

（圖片來(lái)源：Flickr/dayna mason CC BY-NC-SA 2.0）

地球的內(nèi)核實(shí)際上就相當(dāng)于一個(gè)超大號(hào)的磁鐵，會(huì)在地球周邊形成一圈強(qiáng)大的地磁場(chǎng)。這個(gè)地磁場(chǎng)不僅賦予了指南針指向的功能，更重要的是構(gòu)成了地球空間環(huán)境的第一道防線——它能有效偏轉(zhuǎn)來(lái)自太陽(yáng)的高能粒子（太陽(yáng)風(fēng)），保護(hù)大氣層免受持續(xù)剝蝕，也避免了地表生物暴露在高強(qiáng)度輻射之下。正因如此，磁場(chǎng)被認(rèn)為是地球宜居性的基礎(chǔ)條件之一。

地磁場(chǎng)對(duì)地球的保護(hù)作用示意圖

（圖片來(lái)源：NASA）

因此，在研究一個(gè)地外行星是否宜居的時(shí)候，其磁場(chǎng)也是必須要考慮的因素。

不過(guò)，地磁場(chǎng)并不來(lái)源于巨大的固態(tài)磁鐵，而是來(lái)自地球內(nèi)部的“電磁鐵”。科學(xué)家對(duì)這一現(xiàn)象的主流解釋也因此被稱(chēng)為“發(fā)電機(jī)理論”（參考文獻(xiàn)[1]）。具體來(lái)說(shuō)，地球地核部分可分為內(nèi)外兩層，內(nèi)地核是一個(gè)巨大的固態(tài)鐵鎳合金球，其半徑約為1216千米；外地核同樣由鐵、鎳組成，但為液態(tài)，其厚度約為2270千米。

由于地球自轉(zhuǎn)的帶動(dòng)，外地核內(nèi)部存在的溫度差等因素，外地核的液態(tài)金屬大體處于圍繞內(nèi)地核轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，在局部則存在對(duì)流等。由于這些金屬流體具備很高的導(dǎo)電性，因此這種運(yùn)動(dòng)我們可以簡(jiǎn)化為中間一根鐵棒，鐵棒外纏繞著一圈線圈，只要給線圈通電，這個(gè)系統(tǒng)整體就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)——這就是初中物理中典型的電磁感應(yīng)模型。在地核中，這種電流會(huì)進(jìn)一步激發(fā)出磁場(chǎng)，磁場(chǎng)又會(huì)反過(guò)來(lái)增強(qiáng)電流，從而維持整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

發(fā)電機(jī)模型

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

由此我們也可以推斷：磁場(chǎng)的存在與否，也從一個(gè)側(cè)面反映了該天體內(nèi)部是否仍有活躍的物質(zhì)循環(huán)。因此，在研究太陽(yáng)系內(nèi)不同天體的形成與演化過(guò)程中，磁場(chǎng)的存在與變化，始終是被重點(diǎn)關(guān)注的方向之一。

月球磁場(chǎng)曾經(jīng)存在嗎？又為何消失？

關(guān)于月球是否曾經(jīng)擁有內(nèi)部磁場(chǎng)，目前仍存在顯著爭(zhēng)議。

早期的研究主要依據(jù)阿波羅任務(wù)帶回的巖石樣本?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些樣本中部分玄武巖在冷卻過(guò)程中記錄下了穩(wěn)定的磁場(chǎng)，表明它們形成時(shí)周?chē)嬖谝粋€(gè)有序、持續(xù)的磁場(chǎng)。根據(jù)這一證據(jù)，主流觀點(diǎn)認(rèn)為：月球在約42億年至35億年前之間，曾存在由液態(tài)金屬對(duì)流驅(qū)動(dòng)的核心發(fā)電型磁場(chǎng)，其強(qiáng)度最高時(shí)甚至接近地球當(dāng)前地磁場(chǎng)的水平。但是月球磁場(chǎng)在31億年前開(kāi)始快速衰減，然后在15億年前發(fā)生了第二次衰減，最終在10億年前完全消失。

目前月球上空30千米處的總磁場(chǎng)強(qiáng)度，注意其單位為nT（納特斯拉）

（圖片來(lái)源：Wikipedia-Mark A.Wieczorek）

但近年的研究則對(duì)這一傳統(tǒng)認(rèn)知提出挑戰(zhàn)。例如，有科學(xué)家在2021年發(fā)表的研究認(rèn)為，所謂古月球磁場(chǎng)的證據(jù)可能并不來(lái)自真正的核心磁場(chǎng)，而是受到了撞擊事件或地球磁場(chǎng)暴露等因素的影響（參考文獻(xiàn)[2]）。他們重新分析了樣品中的磁性礦物，認(rèn)為這些礦物并不具備長(zhǎng)期保留熱剩磁的能力，因此記錄的強(qiáng)磁信號(hào)可能源于短時(shí)、局部的沖擊磁化，而非一個(gè)持續(xù)存在的全球性磁場(chǎng)。

這類(lèi)觀點(diǎn)雖然仍屬少數(shù)，但確實(shí)揭示出當(dāng)前研究中的不確定性，也反映了我們對(duì)月球磁場(chǎng)演化過(guò)程的認(rèn)識(shí)尚不完整。特別是在約31億年至20億年之間的時(shí)間段內(nèi)，樣本數(shù)據(jù)極為稀缺，導(dǎo)致該時(shí)期磁場(chǎng)是否持續(xù)、是否存在波動(dòng)等問(wèn)題難以回答。

此外，目前幾乎所有已有古地磁數(shù)據(jù)都來(lái)自月球正面。對(duì)于月球背面的古磁場(chǎng)狀態(tài)，長(zhǎng)期缺乏實(shí)物樣本，科學(xué)家只能依賴(lài)遙感模型進(jìn)行間接推斷。這種空間上的空白，進(jìn)一步加劇了對(duì)月球磁場(chǎng)全球分布和持續(xù)時(shí)間的爭(zhēng)議。

嫦娥六號(hào)帶回的樣本，恰好填補(bǔ)了這兩方面的關(guān)鍵缺口：一方面，它們的形成時(shí)間約為28億年前，正處于樣本稀缺的關(guān)鍵時(shí)段；另一方面，它們來(lái)自此前從未獲取過(guò)實(shí)物樣本的月球背面。正因如此，它們所記錄下的磁場(chǎng)信息，對(duì)研究月球磁場(chǎng)變化極為重要，也可能成為打破當(dāng)前理論僵局的關(guān)鍵證據(jù)。

嫦娥6號(hào)的采樣區(qū)域示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]）

如何從一塊巖石中讀出28億年前的古磁場(chǎng)？

磁場(chǎng)是隨時(shí)間不斷變化的，我們無(wú)法回到過(guò)去直接測(cè)量28億年前月球表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度。但幸運(yùn)的是，一些巖石可以在形成時(shí)就記錄下當(dāng)時(shí)的磁場(chǎng)狀態(tài)，就像磁帶記錄聲音一樣。這項(xiàng)研究方法被稱(chēng)為古地磁分析，其中最核心的指標(biāo)之一，是所謂的天然剩磁（Natural Remanent Magnetization,簡(jiǎn)稱(chēng)NRM）。

我們都知道，巖漿其實(shí)就是一種高溫液態(tài)物質(zhì)。巖漿在逐漸冷卻的過(guò)程中，其中一些最先結(jié)晶成固態(tài)的礦物由于含有一定量的鐵元素，因而具有磁性。這些磁性礦物會(huì)受到當(dāng)時(shí)環(huán)境磁場(chǎng)的影響，排列出特定方向，并因?yàn)閹r漿固結(jié)成巖而保留下這種磁性狀態(tài)。

只要巖石在后期沒(méi)有受到強(qiáng)烈加熱或沖擊破壞，這些磁性排列就會(huì)被長(zhǎng)期保存下來(lái)，從而成為研究古代磁場(chǎng)強(qiáng)度與方向的重要線索。這種方法不僅在研究地球過(guò)去的磁場(chǎng)演化中被廣泛使用，也被應(yīng)用于月球、火星等地外天體的巖石樣本研究中。

不過(guò)，在嫦娥六號(hào)樣本的研究中，由于這些巖石碎屑體積更小、無(wú)定向、年代更年輕，而且首次來(lái)自月球背面，因此相比以往阿波羅任務(wù)的樣本，研究方法必須更加精細(xì)。研究人員采用了針對(duì)微小樣品開(kāi)發(fā)的非加熱法來(lái)提取古地磁信號(hào)，并設(shè)計(jì)了多步驟的消磁與校正流程，以盡可能剔除后期干擾因素。

本次研究所使用的嫦娥6號(hào)巖石樣本

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]）

此外，團(tuán)隊(duì)還結(jié)合了巖石磁性分析、掃描電子顯微鏡成像、X射線CT與拉曼光譜等方法，確認(rèn)這些玄武巖樣本中的磁性載體主要為微米級(jí)鐵粒，分布穩(wěn)定，未受到?jīng)_擊變形或高溫再磁化，具備良好的“古磁記錄能力”。

結(jié)果顯示，這些形成于約28億年前的玄武巖樣本，記錄下的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍為5到21微特斯拉（μT）（目前地球上的地磁場(chǎng)范圍為25-65μT）。這個(gè)值顯著高于此前20億年時(shí)段樣本中測(cè)得的微弱磁場(chǎng)，表明在被認(rèn)為磁場(chǎng)已衰退的時(shí)間段內(nèi)，月球內(nèi)部實(shí)際上可能仍保持著相當(dāng)程度的磁場(chǎng)活動(dòng)。

從以往的研究來(lái)看，月球磁場(chǎng)在約31億年前經(jīng)歷過(guò)一次顯著衰退，此后磁場(chǎng)強(qiáng)度整體趨弱。因此，嫦娥六號(hào)樣本所揭示出的中期增強(qiáng)現(xiàn)象——約28億年前仍存在高達(dá)20微特斯拉的磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)既有認(rèn)識(shí)提出了新的挑戰(zhàn)。

這項(xiàng)研究表明，月球磁場(chǎng)的演化過(guò)程可能并非單向衰減，而是存在階段性波動(dòng)。研究團(tuán)隊(duì)將測(cè)得的古磁場(chǎng)強(qiáng)度與多種月球發(fā)電機(jī)模型的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)最符合基底巖漿海模型（Basal Magma Ocean,簡(jiǎn)稱(chēng)BMO）的預(yù)測(cè)趨勢(shì)。

該模型認(rèn)為，在月球形成早期，由于地幔翻轉(zhuǎn)等構(gòu)造過(guò)程，月核與月幔邊界可能堆積了一層富含放射性產(chǎn)熱元素和金屬成分的高溫熔融層。這層基底巖漿海冷卻緩慢，具有持續(xù)釋放熱量與驅(qū)動(dòng)物質(zhì)對(duì)流的能力，能夠在早中期為月球磁場(chǎng)提供足夠的能量來(lái)源，從而導(dǎo)致短期內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的恢復(fù)甚至增強(qiáng)。

考慮到該模型在參數(shù)設(shè)定上仍存在較大不確定性，研究也提出：歲差驅(qū)動(dòng)機(jī)制（precession dynamo）亦可能在一定條件下作為磁場(chǎng)動(dòng)力源單獨(dú)或協(xié)同發(fā)揮作用。此外，核心結(jié)晶等過(guò)程也可能在特定階段提供有限但穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)。

需要強(qiáng)調(diào)的是，無(wú)論是BMO模型還是歲差機(jī)制，目前仍有顯著不確定性，因此月球磁場(chǎng)的確切動(dòng)力來(lái)源尚不能最終定論。未來(lái)若能獲得更多時(shí)間點(diǎn)和區(qū)域的古地磁數(shù)據(jù)，有望進(jìn)一步驗(yàn)證這些模型的適用性，并重新定義我們對(duì)月球磁場(chǎng)演化的整體理解。

這一發(fā)現(xiàn)意味著什么？

嫦娥六號(hào)樣本所揭示出的月球磁場(chǎng)中期增強(qiáng)現(xiàn)象，為理解月球內(nèi)部演化過(guò)程提供了重要線索。

首先，它在時(shí)間上填補(bǔ)了一個(gè)長(zhǎng)期缺失的關(guān)鍵空白。此前，大多數(shù)古地磁樣本集中在35億年前之前，或者20億年之后，中間約15億年的磁場(chǎng)演化狀態(tài)始終缺乏直接證據(jù)。這使得科學(xué)界關(guān)于月球磁場(chǎng)是快速衰減還是間歇波動(dòng)的討論長(zhǎng)期停留在推測(cè)階段。而嫦娥六號(hào)樣本的測(cè)年為約28億年前，恰好落在這一空白帶的中心。它提供了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，明確表明在31億年衰退之后，月球磁場(chǎng)至少曾經(jīng)歷過(guò)一次中等強(qiáng)度的回升。

其次，在空間分布上，它首次提供了來(lái)自月球背面的磁場(chǎng)記錄。此前所有古地磁數(shù)據(jù)均來(lái)自月球正面，這使得科學(xué)家只能假設(shè)月球磁場(chǎng)具有全球性。但如果背面從未存在磁場(chǎng)，這將對(duì)整個(gè)月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與熱演化模型提出根本性挑戰(zhàn)。嫦娥六號(hào)樣本所顯示出的穩(wěn)定剩磁，初步證實(shí)了這一時(shí)期磁場(chǎng)的全球覆蓋性，支持了月球曾擁有核心驅(qū)動(dòng)型全球磁場(chǎng)的觀點(diǎn)。

第三，這一發(fā)現(xiàn)還具有重要的理論意義。它表明，月球磁場(chǎng)并非單一機(jī)制主導(dǎo)下的線性衰退，而可能經(jīng)歷過(guò)多次由不同機(jī)制激發(fā)的階段性波動(dòng)。這對(duì)現(xiàn)有月球熱演化模型、核心結(jié)晶速率、放射性熱源分布等問(wèn)題提出了新的約束條件，也提示我們?cè)诶斫馄渌?lèi)地行星（如火星或水星）磁場(chǎng)演化歷史時(shí)，需要考慮更復(fù)雜的動(dòng)力機(jī)制組合。

總的來(lái)看，嫦娥六號(hào)帶回的這批樣本，不僅為我們提供了研究月球磁場(chǎng)演化的新錨點(diǎn)，也展示了月球背面在地質(zhì)與物理屬性上的獨(dú)特價(jià)值。未來(lái)，如果能獲得更多不同時(shí)間段、不同區(qū)域的實(shí)物樣本，特別是月球極區(qū)與深部出露區(qū)的巖石數(shù)據(jù)，或許可以進(jìn)一步重建一個(gè)更完整的月球磁場(chǎng)演化序列，解決“月球是否曾長(zhǎng)期擁有核心發(fā)電機(jī)制”這一尚未終結(jié)的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]Weiss N (2002) Dynamos in planets, stars and galaxies. Astronomy & Geophysics, 43(3), 3.9-3.14.

[2]Tarduno JA, Cottrell RD, Lawrence K, Bono RK, Huang W, Johnson CL, Blackman EG, Smirnov AV, Nakajima M, Neal CR, Zhou T, Ibanez-Mejia M, Oda H, Crummins B (2021) Absence of a long-lived lunar paleomagnetosphere. Science Advances, 7(32), eabi7647. American Association for the Advancement of Science. [3]Cai S (2025) A reinforced lunar dynamo recorded by chang’e-6 farside basalt. Nature, 643(8071), 361–365. Springer Science and Business Media LLC.

出品：科普中國(guó)

作者：地星引力（科普創(chuàng)作者）

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