Нове дослідження показує, що планета Меркурій може мати товстий шар алмазів на глибині сотень кілометрів під поверхнею. Результати, опубліковані в журналі Nature Communications, можуть допомогти розгадати загадки складу планети і своєрідного магнітного поля.
Меркурій сповнений загадок. По-перше, у нього є магнітне поле. Хоча воно набагато слабше за земне, магнетизм є несподіваним, оскільки планета крихітна і здається геологічно неактивною. На Меркурії також є незвично темні плями на поверхні, які ідентифікували як графіт, різновид вуглецю.
Саме ця остання особливість і викликала цікавість Яньхао Ліня, наукового співробітника Центру передових досліджень у галузі науки і технологій високого тиску в Пекіні та співавтора дослідження. Надзвичайно високий вміст вуглецю в Меркурії “змусив мене усвідомити, що всередині нього, ймовірно, сталося щось особливе”, – сказав він у своїй заяві.
Незважаючи на дивацтва Меркурія, вчені підозрюють, що він, імовірно, сформувався так само, як і інші планети земної групи: внаслідок охолодження гарячого океану магми. У випадку Меркурія цей океан, імовірно, був багатий на вуглець і силікат. Спочатку метали коагулювали всередині неї, утворивши центральне ядро, а магма, що залишилася, кристалізувалася в середню мантію і зовнішню кору планети.
Протягом багатьох років дослідники вважали, що температура і тиск мантії досить високі, щоб вуглець міг утворити графіт, який, будучи легшим за мантію, спливав на поверхню. Але дослідження 2019 року показало, що мантія Меркурія може бути на 80 миль глибшою, ніж вважалося раніше. Це значно підвищить тиск і температуру на кордоні між ядром і мантією, створивши умови, в яких вуглець зможе кристалізуватися в алмаз.
Щоб дослідити цю можливість, група бельгійських і китайських дослідників, зокрема Лінь, приготувала хімічні супи, що містять залізо, кремнезем і вуглець. Вважається, що такі суміші, схожі за складом на деякі види метеоритів, імітують океан магми молодого Меркурія. Дослідники також наповнили ці супи різною кількістю сульфіду заліза; вони вважали, що океан магми містить велику кількість сірки, оскільки сучасна поверхня Меркурія також багата сіркою.
Використовуючи прес із кількома ковадлами, команда піддала хімічні суміші тиску в 7 гігапаскалів – приблизно в 70 000 разів більше за тиск земної атмосфери на рівні моря – і температурі до 1970 градусів за Цельсієм. Ці екстремальні умови імітують ті, що знаходяться глибоко всередині Меркурія.
Крім того, дослідники використовували комп’ютерні моделі для більш точних вимірювань тиску і температури на кордоні ядра і мантії Меркурія, а також змоделювали фізичні умови, за яких графіт або алмаз були б стабільні. Такі комп’ютерні моделі, на думку Ліня, розповідають нам про фундаментальні структури внутрішньої частини планети.
Експерименти показали, що такі мінерали, як олівін, ймовірно, утворилися в мантії – відкриття, яке узгоджується з попередніми дослідженнями. Однак команда також виявила, що додавання сірки до хімічного напою призводить до його затвердіння лише за набагато вищих температур. Такі умови більш сприятливі для утворення алмазів. Дійсно, комп’ютерне моделювання команди показало, що в цих змінених умовах алмази могли кристалізуватися, коли тверділо внутрішнє ядро Меркурія. Оскільки воно було менш щільним, ніж ядро, воно потім спливло до межі ядра і мантії. Розрахунки також показали, що алмази, якщо вони присутні, утворюють шар середньої товщини близько 15 кілометрів (9 миль).
Однак видобуток цих дорогоцінних каменів не зовсім здійсненний. Якщо не зважати на екстремальні температури на планеті, алмази знаходяться надто глибоко – близько 485 км під поверхнею – щоб їх можна було видобувати.
Але дорогоцінні камені важливі з іншої причини: вони можуть відповідати за магнітне поле Меркурія. Алмази можуть сприяти передачі тепла між ядром і мантією, що створить різницю температур і змусить рідке залізо завихрюватися, тим самим створюючи магнітне поле, пояснив Лінь.
Результати також можуть допомогти пояснити, як розвиваються багаті вуглецем екзопланети.
“Процеси, які призвели до утворення шару алмазу на Меркурії, могли відбуватися і на інших планетах, потенційно залишаючи аналогічні сліди”, – сказав він.