Введение

Меркурий, ближайшая к Солнцу планета, долгое время оставался объектом изучения астрономов и геологов. В последние годы, с запуском миссии BepiColombo, учёные начали получать новые данные о его формировании и внутреннем строении. Исследования, проведённые учеными из Университета Льежа и KU Leuven, предлагают уникальный взгляд на ранние этапы эволюции этой планеты, включая образование его графитовой коры и ядра.

Формирование планет

Все земные планеты, включая Меркурий, образовались более четырёх миллиардов лет назад в результате аккреции из газопылевого диска, окружавшего молодое Солнце. На начальных этапах эволюции высвобождаемое тепло привело к плавлению этих планет, создавая океан магмы.

Этот ключевой этап определяет распределение элементов между металлическим ядром и мантией. Процесс кристаллизации магмы формирует твёрдую мантию, частичное плавление которой приводит к образованию магмы, создающей кору. В этот период также могла сформироваться и первоначальная атмосфера.

Методы исследования

В настоящее время образцы с поверхности Меркурия не были получены, и метеориты, связанные с этой планетой, также не обнаружены. Поэтому наши знания о её составе основаны на наблюдениях с телескопов и данных с американских зондов Mariner 10 и MESSENGER.

Чтобы восстановить историю формирования планеты, учёные применяют экспериментальную петрологию. Эта область геологии позволяет воспроизводить в лабораторных условиях температуру, давление и химические условия, существовавшие более четырёх миллиардов лет назад, а затем анализировать минералы, металлы и газы, составляющие различные слои планеты.

Эксперименты и результаты

Команды, возглавляемые Бернардом Шарлье (ULiège) и Оливье Намуром (KULeuven), провели обширные эксперименты при высоком давлении и температуре. Они моделировали поведение углерода во время отделения металлического ядра от силикатной магмы мантии при температурах от 1,250°C до 2,170°C и при давлениях, аналогичных тем, что наблюдаются в недрах планет.

Углерод и его поведение

Согласно полученным результатам, поведение углерода сильно зависело от окисленного состояния окружающей среды, измеряемого по кислородной фугации (fO₂). «При относительно окисляющих условиях углерод ведёт себя как сильный сидерофил,» объясняет Шарлье. «Другими словами, углерод предпочитает металл, и поэтому входит в ядро. Но при высоко восстановительных условиях, характерных для Меркурия, он становится значительно менее сидерофильным и остаётся в силикатной магме, где в конечном итоге кристаллизуется в виде графита.»

Образование графитовой коры

На основе этих экспериментов команда восстановила, как углерод распределялся между ядром, мантией, корой и первичной атмосферой Меркурия. Сравнив результаты с толщиной графитовой коры, рассчитанной по данным зонда MESSENGER, исследователи смогли определить условия, которые преобладали во время формирования планеты — несомненно, в البيئة, крайне низкой по содержанию кислорода.

«При этих экстремальных условиях графит слишком лёгок, чтобы тонуть; он плавает на поверхности океана магмы и накапливается, образуя примитивную кору,» добавляет Намур. «Модель воспроизводит графитовую кору толщиной около 40–120 метров, что соответствует углеродному слою (от 1% до 3% по массе), который наблюдения приписывают поверхности Меркурия.» Эта первобытная кора затем была нарушена и перераспределена в результате метеоритных ударов и вулканической активности, которая создала более молодую кору планеты.

Состав ядра и его легкие элементы

Геодезические данные MESSENGER также показывают, что исключительное ядро (составляющее около 70% массы планеты) должно содержать несколько процентов лёгких элементов, чтобы объяснить его недостаток плотности. «Углерод рассматривался как кандидат,» продолжает Намур. «Однако при тех же условиях, которые позволяют образоваться графитовой коре, исследование показывает, что ядро остаётся бедным углеродом — менее 5,000 микрограммов на грамм, или менее 0.5%. Эта концентрация слишком мала, чтобы объяснить наблюдаемый дефицит.»

Таким образом, основными легкими элементами в ядре должны быть кремний и, в меньшей степени, сера. Эти элементы обладают ещё одной важной характеристикой: они значительно понижают температуру плавления железа, что может объяснять, почему ядро Меркурия оставалось как минимум частично жидким на протяжении 4.5 миллиардов лет.

Заключение

Исследования, проведенные учеными из Университета Льежа и KU Leuven, предоставили новые увлекательные данные о формировании планеты Меркурий. Понимание процессов, связанных с образованием его графитовой коры и ядра, не только углубляет наши знания о данной планете, но и открывает новые горизонты для будущих исследований в области планетарной науки.