Эксперименты показали, почему ядро Меркурия остается жидким миллиарды лет

Группа ученых из Льежского университета и Лёвенского католического университета под руководством Бернара Шарлье и Оливье Намюра провела серию экспериментов, воссоздающих условия раннего Меркурия. Исследователи обнаружили, что углерод на планете ведет себя неожиданным образом: в сильно восстановительной среде он не уходит в ядро, а остается в силикатном расплаве и в итоге образует графитовую кору толщиной до 120 метров. 

Меркурий самая близкая к Солнцу планета, и его история долгое время оставалась загадкой, ведь у нас нет ни одного образца его породы, ни упавшего метеорита с него. Все, что мы знаем о его составе, получено с помощью телескопов и двух американских зондов — Mariner 10 и MESSENGER.

Но даже этих данных достаточно, чтобы понять: Меркурий совсем не похож на Землю или Марс. Его ядро непропорционально велико, а поверхность покрыта темным углеродистым слоем. Чтобы разобраться, как такая планета могла сформироваться, ученые обратились к экспериментальной петрологии, науке, которая позволяет в лаборатории воспроизводить температуры и давление, царившие внутри планет миллиарды лет назад.

В ходе экспериментов исследователи нагревали смеси, имитирующие мантию Меркурия, до температур от 1250 до 2170 градусов Цельсия и сжимали их до давлений, соответствующих глубинам в сотни километров. Они хотели понять, куда именно направляется углерод, один из ключевых легких элементов, который мог бы объяснить и низкую плотность ядра, и темный цвет поверхности.

Оказалось, что все решает степень окисления среды. В условиях, бедных кислородом, а именно такими были условия на молодом Меркурии, углерод теряет свою «металлофильность». Он не стремится раствориться в железном ядре, а остается в расплавленной силикатной магме. По мере остывания этого магматического океана углерод кристаллизуется в виде графита, который, будучи очень легким, всплывает на поверхность, словно пена на кипящем молоке.

Такая «графитовая пена» затвердевала и накапливалась, образуя первичную кору толщиной от 40 до 120 метров. Поразительно, но расчеты совпали с данными MESSENGER, который зафиксировал на поверхности Меркурия богатый углеродом слой с содержанием от 1 до 3 процентов по массе. Однако дальнейшее моделирование показало, что в ядре углерода остается ничтожно мало, менее 0,5 процента. А значит, он не может быть тем самым легким элементом, который объясняет, почему ядро Меркурия такое большое и при этом слишком легкое для своего объема.

Ученые пришли к выводу, что настоящими «облегчителями» ядра служат кремний и сера. Эти элементы не только снижают плотность, но и понижают температуру плавления железа, позволяя ядру оставаться частично жидким на протяжении 4,5 миллиардов лет, именно это поддерживает магнитное поле планеты.

Кроме того, новое исследование предлагает ключ к пониманию не только Меркурия. Экстремальные условия, в которых он сформировался, могут быть применимы к гипотетическим «супер-Меркуриям» вокруг других звезд, к ранней Земле, которая также строилась из бедных кислородом материалов, и даже к загадочному прото-Меркурию, более массивному предшественнику нынешней планеты. Получается, что графитовая кора и бедное углеродом ядро — это две стороны одной медали, которые рассказывают о химическом характере всей планеты.

Главный итог работы стало то, что ученые впервые экспериментально связали химию поверхности Меркурия с составом его недр. Они доказали, что графитовая кора образовалась не за счет внешних ударов, а как закономерный итог внутреннего охлаждения магматического океана в бескислородной среде. При этом углерод практически не попал в ядро, а значит, его легкость обеспечивают другие элементы — кремний и сера. Это открытие не только уточняет модель эволюции Меркурия, но и дает инструмент для изучения других планет с похожей химией, включая раннюю Землю.

Остается дождаться данных с BepiColombo, которые, возможно, подтвердят наличие графита на поверхности и позволят измерить его количество с беспрецедентной точностью.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях