Используя данные космического аппарата NASA MESSENGER, ученые установили, что под корой Меркурия, самой близкой к Солнцу планеты, может находиться алмазная мантия толщиной 10 миль.
Меркурий давно озадачивает ученых, поскольку он обладает многими свойствами, не характерными для других планет Солнечной системы. К ним относятся очень темная поверхность, удивительно плотное ядро и преждевременное окончание вулканической эры на Меркурии.
Также среди этих загадок — пятна графита, разновидности (или "аллотропной формы") углерода на поверхности самой внутренней планеты Солнечной системы. Эти пятна заставили ученых предположить, что в ранней истории Меркурия на крошечной планете существовал богатый углеродом магматический океан. Этот океан всплыл на поверхность, создав графитовые пятна и темный оттенок поверхности Меркурия.
Этот же процесс привел бы к формированию богатой углеродом мантии под поверхностью. Команда, сделавшая эти выводы, считает, что эта мантия состоит не из графита, как предполагалось ранее, а из другого, гораздо более ценной аллотропной формы углерода — алмаза.
"Мы подсчитали, что, учитывая новую оценку давления на границе мантии и ядра и зная, что Меркурий — богатая углеродом планета, углеродсодержащий минерал, который образуется на границе между мантией и ядром, — это алмаз, а не графит", — рассказал Space.com член команды Оливье Намур, доцент KU Leuven. "В нашем исследовании использованы геофизические данные, собранные космическим аппаратом NASA MESSENGER".
MESSENGER (Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and Ranging) был запущен в августе 2004 года и стал первым космическим аппаратом на орбите Меркурия. В ходе миссии, завершившейся в 2015 году, был изучен весь крошечный мир, обнаружен обильный водяной лед в тенях на полюсах и собраны важнейшие данные о геологии и магнитном поле Меркурия.
Под давлением!
Новое исследование также связано с неожиданным открытием, которое произошло несколько лет назад, когда ученые пересмотрели распределение массы на Меркурии, обнаружив, что мантия этой крошечной планеты толще, чем считалось ранее.
"Мы сразу подумали, что это должно иметь огромное значение для видообразования [распределения элемента или его аллотропной формы среди химических видов в системе] углерода, алмаза и графита на Меркурии", — говорит Намур.
Команда исследовала этот вопрос здесь, на Земле, используя пресс большого объема, чтобы воспроизвести давление и температуру, существующие в недрах Меркурия. Они приложили невероятно большое давление — более семи гигапаскалей — к синтетическому силикату, выступающему в качестве аналога материала, содержащегося в мантии Меркурия, и достигли температуры до 2177 градусов по Цельсию.
Это позволило им изучить, как минералы, подобные тем, что были обнаружены в мантии Меркурия на ранних этапах его существования, изменялись в таких условиях. Они также использовали компьютерное моделирование для оценки данных о внутренностях Меркурия, что дало им подсказку о том, как могла образоваться алмазная мантия Меркурия.
"Мы считаем, что алмаз мог образоваться в результате двух процессов. Во-первых, это кристаллизация океана магмы, но этот процесс, скорее всего, способствовал формированию лишь очень тонкого слоя алмаза на границе ядра и мантии", — пояснил Намур. "Во-вторых, и это самое главное, кристаллизация металлического ядра Меркурия".
По словам Намура, когда Меркурий сформировался около 4,5 миллиарда лет назад, ядро планеты было полностью жидким, постепенно кристаллизуясь с течением времени. Точная природа твердых фаз, формировавшихся во внутреннем ядре, в настоящее время неизвестна, но команда считает, что эти фазы должны были быть с низким содержанием углерода или "бедные углеродом".
"Жидкое ядро до кристаллизации содержало некоторое количество углерода; поэтому кристаллизация приводит к обогащению углеродом остаточного расплава", — продолжает он. "В какой-то момент достигается порог растворимости, то есть жидкость не может растворить больше углерода, и образуется алмаз".
Алмаз — плотный минерал, но не такой плотный, как металл, а это значит, что во время этого процесса он должен был всплыть к вершине ядра, остановившись на границе ядра Меркурия и его мантии. Это привело бы к образованию алмазного слоя толщиной около 1 км, который затем продолжал расти с течением времени.
Открытие подчеркивает различия между рождением самой близкой к Солнцу планеты по сравнению с созданием других каменистых планет Солнечной системы — Венеры, Земли и Марса.
"Меркурий сформировался гораздо ближе к Солнцу, вероятно, из облака пыли, богатого углеродом. Как следствие, Меркурий содержит меньше кислорода и больше углерода, чем другие планеты, что привело к образованию алмазного слоя", — добавил Намур. "Однако ядро Земли также содержит углерод, и образование алмазов в земном ядре уже предполагалось различными исследователями".
Исследователь надеется, что это открытие поможет раскрыть некоторые другие тайны, окружающие самую маленькую планету Солнечной системы, в том числе и то, почему ее вулканическая фаза оборвалась около 3,5 миллиарда лет назад.
«Главный вопрос, который у меня возникает в связи с эволюцией Меркурия, — почему основная фаза вулканизма длилась всего несколько сотен миллионов лет, что гораздо короче, чем у других каменистых планет. Это должно означать, что планета очень быстро остывала», — говорит Намур. «Отчасти это связано с небольшим размером планеты, но сейчас мы работаем с физиками, чтобы понять, мог ли алмазный слой способствовать очень быстрому отводу тепла и, следовательно, прекращению основного вулканизма очень рано».
По словам Намура, следующим шагом команды будет изучение теплового эффекта алмазного слоя на границе мантии и ядра. Это исследование может быть подкреплено данными миссии, которая последует по следам MESSENGER.
«Мы также с нетерпением ждем первых данных, собранных BepiColombo, которые, как мы надеемся, будут получены в 2026 году, чтобы уточнить наше понимание внутренней структуры и эволюции Меркурия», — заключил Намур.
Исследование команды было опубликовано в журнале Nature Communications.
