Використовуючи дані космічного апарату NASA MESSENGER, вчені встановили, що під корою Меркурія, найближчої до Сонця планети, може перебувати алмазна мантія товщиною 10 миль.
Меркурій давно спантеличує вчених, оскільки він має багато властивостей, не характерних для інших планет Сонячної системи. До них належать дуже темна поверхня, напрочуд щільне ядро і передчасне закінчення вулканічної ери на Меркурії.
Також серед цих загадок — плями графіту, різновиду (або "алотропної форми") вуглецю на поверхні найвнутрішнішої планети Сонячної системи. Ці плями змусили вчених припустити, що в ранній історії Меркурія на крихітній планеті існував багатий на вуглець магматичний океан. Цей океан сплив на поверхню, створивши графітові плями і темний відтінок поверхні Меркурія.
Цей самий процес призвів би до формування багатої на вуглець мантії під поверхнею. Команда, яка зробила ці висновки, вважає, що ця мантія складається не з графіту, як передбачалося раніше, а з іншої, набагато ціннішої алотропної форми вуглецю — алмазу.
"Ми підрахували, що, з огляду на нову оцінку тиску на межі мантії та ядра і знаючи, що Меркурій — багата на вуглець планета, вуглецевмісний мінерал, що утворюється на межі між мантією та ядром, — це алмаз, а не графіт", — розповів Space.com член команди Олів'є Намур, доцент KU Leuven. "У нашому дослідженні використано геофізичні дані, зібрані космічним апаратом NASA MESSENGER".
MESSENGER (Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and Ranging) було запущено в серпні 2004 року, він став першим космічним апаратом на орбіті Меркурія. Під час місії, що завершилася 2015 року, було вивчено весь крихітний світ, виявлено рясний водяний лід у тінях на полюсах і зібрано найважливіші дані про геологію і магнітне поле Меркурія.
Під тиском!
Нове дослідження також пов'язане з несподіваним відкриттям, що сталося кілька років тому, коли вчені переглянули розподіл маси на Меркурії, виявивши, що мантія цієї крихітної планети товща, ніж вважалося раніше.
"Ми одразу подумали, що це повинно мати величезне значення для видоутворення [розподілу елемента або його алотропної форми серед хімічних видів у системі] вуглецю, алмазу і графіту на Меркурії", — каже Намур.
Команда досліджувала це питання тут, на Землі, використовуючи прес великого об'єму, щоб відтворити тиск і температуру, які існують у надрах Меркурія. Вони доклали неймовірно великий тиск — понад сім гігапаскалів — до синтетичного силікату, що виступає аналогом матеріалу, що міститься в мантії Меркурія, і досягли температури до 2177 градусів за Цельсієм.
Це дозволило їм вивчити, як мінерали, подібні до тих, що були виявлені в мантії Меркурія на ранніх етапах його існування, змінювалися в таких умовах. Вони також використовували комп'ютерне моделювання для оцінки даних про нутрощі Меркурія, що дало їм підказку про те, як могла утворитися алмазна мантія Меркурія.
"Ми вважаємо, що алмаз міг утворитися в результаті двох процесів. По-перше, це кристалізація океану магми, але цей процес, найімовірніше, сприяв формуванню лише дуже тонкого шару алмазу на межі ядра і мантії", — пояснив Намур. "По-друге, і це найголовніше, кристалізація металевого ядра Меркурія".
За словами Намура, коли Меркурій сформувався близько 4,5 мільярда років тому, ядро планети було повністю рідким, поступово кристалізуючись з плином часу. Точна природа твердих фаз, що формувалися у внутрішньому ядрі, наразі невідома, але команда вважає, що ці фази повинні були бути з низьким вмістом вуглецю або "бідні вуглецем".
"Рідке ядро до кристалізації містило деяку кількість вуглецю; тому кристалізація призводить до збагачення вуглецем залишкового розплаву", — продовжує він. "У якийсь момент досягається поріг розчинності, тобто рідина не може розчинити більше вуглецю, і утворюється алмаз".
Алмаз — щільний мінерал, але не такий щільний, як метал, а це значить, що під час цього процесу він мав спливти до вершини ядра, зупинившись на кордоні ядра Меркурія і його мантії. Це призвело б до утворення алмазного шару завтовшки близько 1 км, який потім продовжував зростати з плином часу.
Відкриття підкреслює відмінності між народженням найближчої до Сонця планети порівняно зі створенням інших кам'янистих планет Сонячної системи — Венери, Землі та Марса.
"Меркурій сформувався набагато ближче до Сонця, ймовірно, з хмари пилу, багатої на вуглець. Як наслідок, Меркурій містить менше кисню і більше вуглецю, ніж інші планети, що призвело до утворення алмазного шару", — додав Намур. "Однак ядро Землі також містить вуглець, і утворення алмазів у земному ядрі вже припускали різні дослідники".
Дослідник сподівається, що це відкриття допоможе розкрити деякі інші таємниці, що оточують найменшу планету Сонячної системи, зокрема й те, чому її вулканічна фаза обірвалася близько 3,5 мільярда років тому.
"Головне питання, яке у мене виникає у зв'язку з еволюцією Меркурія, — чому основна фаза вулканізму тривала всього кілька сотень мільйонів років, що набагато коротше, ніж у інших кам'янистих планет. Це має означати, що планета дуже швидко остигала", — каже Намур. "Частково це пов'язано з невеликим розміром планети, але зараз ми працюємо з фізиками, щоб зрозуміти, чи міг алмазний шар сприяти дуже швидкому відведенню тепла і, отже, припиненню основного вулканізму дуже рано".
За словами Намура, наступним кроком команди буде вивчення теплового ефекту алмазного шару на кордоні мантії та ядра. Це дослідження може бути підкріплено даними місії, яка піде слідами MESSENGER.
"Ми також із нетерпінням чекаємо на перші дані, зібрані BepiColombo, які, як ми сподіваємося, буде отримано 2026 року, щоб уточнити наше розуміння внутрішньої структури та еволюції Меркурія", — підсумував Намур.
Дослідження команди було опубліковано в журналі Nature Communications.
