Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, предполагает, что граница ядра и мантии Меркурия (CMB) может содержать алмазный слой толщиной до 18 километров. Это открытие было сделано группой учёных из Китая и Бельгии.
Меркурий, ближайшая к Солнцу и самая маленькая планета в нашей Солнечной системе, давно вызывает интерес учёных из-за его тёмной поверхности и плотного ядра. Предыдущие миссии, такие как космический аппарат NASA MESSENGER и миссия Mariner 10 предоставили до настоящего времени наиболее подробную информацию о Меркурии. Они обнаружили, что поверхность Меркурия покрыта графитом, — формой углерода. Как полагают, обилие углерода на поверхности когда-то было графитным слоем, возникшим в начале истории планеты. Это указывает на то, что Меркурий когда-то имел расплавленный поверхностный слой, или магматический океан, содержащий значительное количество углерода. По мере охлаждения и затвердевания коры планеты этот углерод образовал графитовую корку на её поверхности.
«Это привело к мысли, что ранняя история планеты включала богатый углеродом магматический океан», — рассказал один из соавторов исследования доктор Яньхао Линь (Yanhao Lin) из Центра передовых исследований в области науки и технологий высокого давления в Пекине.
Однако исследователи оспаривают гипотезу о том, что графит был единственной устойчивой углеродсодержащей фазой во время кристаллизации магматического океана Меркурия. Прежние предположения о графитовой коре основывались на более предсказаниях температуры и давления на мантию. Однако более поздние исследования показали, что слой расположен глубже, чем считалось ранее, что побудило исследователей пересмотреть свои оценки графитовой коры.
Кроме того, другое исследование показало, что в железном ядре Меркурия может присутствовать сера. Сера могла повлиять на кристаллизацию магматического океана Меркурия, что ставит под сомнение первоначальное утверждение о том, что в этой фазе присутствовал только графит.
Для моделирования условий внутри недр Меркурия исследователи использовали сочетание экспериментов с высоким давлением и температурой, а также термодинамическое моделирование.
«Мы применили пресс большого объёма, чтобы имитировать высокую температуру и высокое давление в месте соединения ядра и мантии Меркурия и дополнили это геофизическими моделями и термодинамическими вычислениями», — пояснил доктор Линь.
В качестве исходного материала команда использовала синтетический силикат, имитирующий состав мантии Меркурия. Исследователи смогли достичь давления до 7 гигапаскалей (ГПа), что примерно в семь раз превышает давление на самых больших глубинах Марианской впадины.
В этих условиях учёные изучили, как минералы в недрах Меркурия, плавятся и достигают равновесных фаз. Они охарактеризовали эти фазы, уделяя особое внимание фазам графита и алмаза. Кроме того, учёные также проанализировали химический состав экспериментальных образцов. Они также использовали геофизическое моделирование для изучения наблюдаемых данных о недрах Меркурия.
«В лаборатории мы имитируем экстремальные давление и температуру внутри планет. Иногда это непростая задача: приходится подгонять оборудование под нужды эксперимента. Экспериментальные установки должны быть очень точными, чтобы имитировать эти условия», — отметил доктор Линь.
Они использовали модель для прогнозирования фазовой стабильности, расчёта давления и температуры реликтового фона, а также для моделирования стабильности графита и алмаза при экстремальных температурах и давлениях. Сочетая экспериментальные данные с геофизическим моделированием, исследователи смогли оценить давление реликтового фона Меркурия примерно в 5,575 ГПа.
При содержании серы около 11% исследователи наблюдали значительное изменение температуры до 358 градусов Кельвина в магматическом океане Меркурия. Исследователи предполагают, что хотя графит, вероятно, был доминирующей углеродной фазой во время кристаллизации магматического океана, кристаллизация ядра привела к образованию алмазного слоя в CMB.
«Сера снижает температуру магматического океана Меркурия. Если алмаз образуется в магматическом океане, то он может опуститься на дно и отложиться в реликтовом слое. С другой стороны, сера также способствует образованию слоя сульфида железа в реликтовом слое, который связан с содержанием углерода во время планетарной дифференциации», — пояснил доктор Линь.
Планетарная дифференциация — это процесс, в ходе которого планета приобретает структуру, в частности, ядро, куда опускаются более тяжёлые минералы, и кору, куда поднимаются более лёгкие минералы.
Согласно выводам команды, предполагаемая толщина алмазного слоя в CMB составляет от 15 до 18 километров. Они также предполагают, что нынешняя температура в CMB Меркурия близка к точке, в которой графит может перейти в алмаз. Одно из следствий этих результатов касается магнитного поля Меркурия, которое необычно сильно для его размеров.
Доктор Линь объяснил: «Углерод из расплавленного ядра становится перенасыщенным по мере охлаждения, образуя алмаз и всплывая в реликтовый слой. Высокая теплопроводность алмаза помогает эффективно передавать тепло из ядра в мантию, вызывая температурную стратификацию и изменение конвекции в жидком внешнем ядре Меркурия, что влияет на генерацию его магнитного поля».
Поскольку тепло передаётся из ядра в мантию, оно влияет на температурные градиенты и конвекцию в жидком внешнем ядре Меркурия, что, в свою очередь, влияет на генерацию его магнитного поля. Доктор Линь также подчеркнул важную роль углерода в формировании богатых углеродом экзопланетных систем.
«Это исследование также может быть важным для понимания других планет земной группы, особенно тех, которые имеют схожие размеры и состав. Процессы, которые привели к образованию алмазного слоя на Меркурии, могли происходить и на других планетах, потенциально оставляя схожие следы», — заключил доктор Линь.