Предлагаемый сценарий образования алмаза на границе ядро-мантия Меркурия. (a) Кристаллизация насыщенного углеродом силикатного магматического океана и потенциальное, но маловероятное, раннее образование алмаза у его основания. Графит был основной фазой, образовавшейся в магматическом океане, и накапливался на поверхности, образуя первичную графитовую кору. (b) Во время кристаллизации внутреннего ядра алмаз выделился и всплыл на границу ядро-мантия. Такой поздний алмазный слой продолжал бы расти на протяжении всей кристаллизации ядра. Автор: д-р Яньхао Линь и д-р Бернар Шарлье.
Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature Communications учеными из Китая и Бельгии, предполагает, что граница ядра и мантии Меркурия (CMB) включает в себя алмазный слой, потенциально толщиной до 18 километров, залегающий глубоко внутри планеты.
Меркурий, самая маленькая и самая внутренняя планета в нашей солнечной системе, долгое время озадачивала ученых своей необычайно темной поверхностью и высокой плотностью ядра. Предыдущие миссии, такие как космический аппарат NASA MESSENGER, показали, что поверхность Меркурия содержит значительное количество графита, формы углерода.
Это привело исследователей к мысли, что ранняя история планеты включала богатый углеродом магматический океан. Phys.org поговорил с одним из соавторов исследования, доктором Яньхао Линем из Центра передовых исследований науки и технологий высокого давления в Пекине.
«Много лет назад я заметил, что чрезвычайно высокое содержание углерода в Меркурии может иметь существенные последствия. Это заставило меня осознать, что внутри его недр, вероятно, произошло что-то особенное», — сказал доктор Линь.
Что мы знаем о Меркурии
Наиболее подробную информацию о Меркурии мы получили в ходе миссий NASA MESSENGER и Mariner 10.
Предыдущие наблюдения космического аппарата MESSENGER показали, что поверхность Меркурия необычно темная из-за широкого распространения графита.
Считается, что обилие углерода на поверхности произошло из древнего слоя графита, который всплыл на поверхность в самом начале. Это говорит о том, что на Меркурии когда-то был расплавленный поверхностный слой или магматический океан, содержащий значительное количество углерода.
Со временем, по мере остывания и затвердевания планеты, этот углерод образовал на ее поверхности графитовую корку.
Однако исследователи оспаривают предположение, что графит был единственной стабильной углеродсодержащей фазой во время кристаллизации магматического океана Меркурия. Это происходит, когда мантия планеты (средний слой) остывает и затвердевает.
Ранние предположения о графитовой коре основывались на более низких прогнозах температуры и давления в CMB. Но более новые исследования предполагают, что CMB глубже, чем считалось ранее, что побудило исследователей пересмотреть оценку графитовой коры.
Кроме того, другое исследование также предположило наличие серы в железном ядре Меркурия. Присутствие серы может оказывать влияние на кристаллизацию магматического океана Меркурия, тем самым подвергая сомнению первоначальное утверждение о наличии только графита в этой фазе.
Воссоздание условий недр Меркурия
Чтобы воссоздать условия недр Меркурия, исследователи использовали комбинацию экспериментов с высоким давлением и температурой, а также термодинамического моделирования.
«Мы используем пресс большого объема, чтобы имитировать условия высокой температуры и высокого давления на границе ядра и мантии Меркурия и объединяем их с геофизическими моделями и термодинамическими расчетами», — пояснил доктор Линь.
Они использовали синтетический силикат в качестве исходного материала, чтобы напоминать состав мантии Меркурия. Это широко используемый метод для изучения недр планет.
Исследователям удалось достичь уровня давления до 7 гигапаскалей (ГПа), что примерно в семь раз превышает давление, обнаруженное в самых глубоких частях Марианской впадины.
В этих условиях группа ученых изучала, как минералы (обнаруженные в недрах Меркурия) плавятся и достигают равновесных фаз, а также охарактеризовала эти фазы, уделив особое внимание фазам графита и алмаза.
Они также проанализировали химический состав экспериментальных образцов.
«В лаборатории мы имитируем экстремальные давления и температуры внутри планет. Иногда это сложная задача: нужно подгонять устройства под свои нужды. Экспериментальные установки должны быть очень точными, чтобы имитировать эти условия», — пояснил доктор Линь.
Они также использовали геофизическое моделирование для изучения наблюдаемых данных о недрах Меркурия.
«Геофизические модели в основном основаны на данных, собранных космическими аппаратами, и они рассказывают нам о фундаментальных структурах недр планеты», — сказал доктор Линь.
Они использовали модель для прогнозирования фазовой стабильности, расчета давления и температуры реликтового фона, а также для моделирования стабильности графита и алмаза при экстремальных температурах и давлениях.
Алмазы формируются под давлением
Объединив экспериментальные данные с геофизическим моделированием, исследователи смогли оценить давление реликтового излучения Меркурия примерно в 5,575 ГПа.
При содержании серы около 11% исследователи наблюдали значительное изменение температуры в 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 ликвидус магматического океана Меркурия. Если алмаз образуется в магматическом океане, 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 относится к процессу, в ходе которого планета приобретает внутреннюю структуру, т. е. центр или ядро, к которому опускаются более тяжелые минералы, и поверхность или кора, к которой поднимаются более легкие минералы.
Согласно их выводам, алмазный слой в CMB имеет предполагаемую толщину от 15 до 18 километров. Они также предполагают, что нынешняя температура в CMB Меркурия близка к точке, в которой графит может перейти в алмаз, в результате чего стабилизируется температура в CMB.
Экзопланетные системы, богатые углеродом
Одним из следствий этих результатов является изучение магнитного поля Меркурия, которое аномально сильное для его размеров.
Доктор Линь объяснил: «Углерод из расплавленного ядра становится перенасыщенным по мере охлаждения, образуя алмаз и всплывая в реликтовое излучение. Высокая теплопроводность алмаза помогает эффективно передавать тепло из ядра в мантию, вызывая температурную стратификацию и изменение конвекции в жидком внешнем ядре Меркурия и, таким образом, влияя на генерацию его магнитного поля».
Проще говоря, поскольку тепло передается из ядра в мантию, оно влияет на градиенты температуры и конвекцию в жидком внешнем ядре Меркурия, что влияет на генерацию его магнитного поля.
Доктор Линь также указал на решающую роль углерода в формировании богатых углеродом экзопланетных систем.
«Это также может иметь значение 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.
