由发电机产生的月球磁场可以反映其内部结构及热状态，也能影响月表环境。因此，认识月球磁场的变化过程可以为理解月球演化历史提供重要约束。阿波罗时代至今的遥感数据和月表原位测量表明月球现在不存在类似地磁场的全球性偶极磁场，但阿波罗返回样品的古强度数据以及部分磁化的月壳（图1）指示月球可能曾有过发电机磁场。但是已有的现代月球古强度数据主要集中在30亿年前，30亿年后的阿波罗数据均来自于经历过强烈冲击改造的表土角砾岩，导致部分学者质疑其记录的磁场可能受撞击影响，且准确限定这些角砾岩的形成年龄比较困难。因此，目前对于月球发电机磁场持续时间及其中晚期演化过程仍存在较大争议。
图1 月球表面磁异常分布图。五角星、圆形和方块代表嫦娥五号、阿波罗和月球号探测任务着陆点
我国嫦娥五号任务从风暴洋区域采集了人类首批月球中纬度玄武岩样品（图1），玄武岩受到撞击改造程度一般较小，能够代表火山喷发时的月球古磁场强度。以李献华研究员团队为代表的中外学者获得的嫦娥五号玄武岩喷发年龄为~20亿年，代表迄今为止最年轻的月球玄武岩返回样品，这些年轻玄武岩为获取月球中晚期古磁场数据提供了独特的机遇。中国科学院地质与地球物理研究所朱日祥研究员、蔡书慧副研究员及研究团队联合中国科学院国家天文台、中国地质大学（武汉）等单位对获批的9颗毫米级玄武岩岩屑样品开展了详细的磁学分析，相关结果为认识月球发电机中晚期演化历史提供了关键约束。
针对月球返回样品稀有量少、磁信号弱等特点，团队建立一套适合地外微小、弱磁样品的高精度、低损耗磁学方法研究体系，为嫦娥五号及后续深空探测返回样品磁学研究提供技术支持和保障。该研究采用多种古强度测试方法，获得了月球20亿年前可靠的发电机磁场信息。研究显示，月球在距今20亿年前仍存在一个较弱的发电机过程，所产生的磁场强度为~2–4 μT（图2）。这一结果表明20亿年前月球深部仍保持一定的热对流或热传导，其驱动能量可能来源于内核结晶、进动、钛铁矿堆晶下沉等过程，仍然具有活力的月球深部可能为月球年轻火山活动贡献了一定的热量（图3）。
图2 月球磁场强度演化图。红色和蓝色五角星代表嫦娥五号样品非加热和加热方法古强度。黑色符号代表经过筛选的已发表阿波罗样品古强度，其中空心符号代表强度值上限
图3 嫦娥五号玄武岩样品揭示20亿年前月球存在弱的发电机磁场，指示该时期月球深部仍具有一定活力
研究成果以封面文章发表于国际学术期刊Science Advances，封面文字介绍：“月球磁场的演化有助于解译月球的内部结构、热历史和表面环境。蔡等人利用嫦娥五号任务从月球中纬度的风暴洋采集的月海玄武岩样品，揭示了20亿年前月球存在一个微弱的发电机磁场。他们的研究还提出了年轻月球火山活动起源的另一种可能机制。这些研究成果将有助于推动月球太空风化和挥发性物质的相关研究”。
期刊邀请国际行星领域著名学者麻省理工学院Benjamin P. Weiss教授撰写了题为《The Moon goddess’s magnetic midlife》的聚焦文章，重点解读本研究成果，并与本文同期发表。Weiss教授在文中提到嫦娥五号玄武岩是目前返回的最年轻的玄武岩样品、剩磁载体比较理想、采样纬度更高，作者们抓住嫦娥五号这些独特的优势，通过细致严谨的研究工作获得嫦娥五号玄武岩记录的月球磁场古强度，提出月球发电机可能至少持续到了月球演化的中期，并创新性的利用嫦娥五号独特的地理位置尝试讨论月球磁场形态分布，为认识月球磁场几何形态提供了宝贵信息。
研究成果发表于Science Advances（蔡书慧*，秦华峰，王华沛，邓成龙，杨赛红，徐亚，张驰，唐旭，谷立新，李晓光，沈中山，章敏，何况，祁锴贤，樊耘畅，董良，侯祎斐，石平原，刘双迟，苏菲，陈意，李秋立，李金华，Ross N. Mitchell，贺怀宇，李春来，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。研究受国家自然科学基金委 （42241101, 42388101, 42488201, 42030205）、中国科学院和研究所重点部署 （ZDBS-SSWJSC007-3, IGGCAS-202401）项目共同资助。
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美编 | 陈永焱
校对 | 刘强