Автор: Джакопо Приско (Jacopo Prisco)
(edition.cnn.com) - Согласно новому исследованию, под поверхностью Меркурия, самой маленькой планеты Солнечной системы, ближе всего расположенной к Солнцу, может находиться слой алмазов толщиной до 18 километров (11 миль).
Алмазы могли образоваться вскоре после того, как около 4,5 млрд лет назад сам Меркурий превратился в планету из завихренного облака пыли и газа, в «воронке» высокого давления и высокой температуры. В это время, как полагают, кора зарождающейся планеты состояла из графита, плавающего над глубоким океаном магмы.
Группа исследователей воссоздала эту раскаленную среду в ходе эксперимента с помощью устройства, называемого прессом-наковальней, который обычно используется для изучения поведения материалов под действием экстремального давления, а также для производства синтетических алмазов.
«Это огромный пресс, который позволяет нам подвергать крошечные образцы действию такого же высокого давления и высокой температуры, которые, как мы ожидаем, существуют в глубине мантии Меркурия, на границе между мантией и ядром», - сказал Бернар Шарлье (Bernard Charlier), руководитель геологического факультета Льежского университета (University of Liège) в Бельгии и соавтор исследования, результаты которого сообщаются.
Улетая от Венеры, космический аппарат Mariner 10, запущенный NASA, запечатлел эту, казалось бы, спокойную планету размером с Землю, полностью окутанную плотным слоем облаков. Но, вопреки своему безмятежному виду, покрытая облаками Венера представляет собой очень горячую среду с крайне высоким атмосферным давлением и облаками едкой кислоты.
Команда поместила синтетическую смесь элементов, включая кремний, титан, магний и алюминий, внутрь графитовой капсулы, имитируя теоретический состав недр Меркурия в ранний период его существования. Затем исследователи подвергли капсулу действию давления, почти в 70 000 раз превышающего давление, действующее на поверхности Земли, и температуры до 2000оС (3630оF), воссоздав условия, которые, вероятно, существовали вблизи ядра Меркурия миллиарды лет назад.
После того, как образец расплавился, ученые изучили изменения в химическом и минеральном составе с помощью электронного микроскопа и отметили, что графит превратился в кристаллы алмаза.
Этот механизм, по словам исследователей, может не только дать нам больше информации о тайнах, скрытых под поверхностью Меркурия, но и об эволюции планет и внутренней структуре планет вне Солнечной системы - экзопланет, - имеющих схожие характеристики.
Загадочный Меркурий
Меркурий является второй по плотности планетой после Земли. Большое металлическое ядро занимает 85% радиуса Меркурия, и он также является наименее изученной из планет земной группы Солнечной системы. Полет аппарата MESSENGER, последней завершившейся миссии к Меркурию, выполненной NASA, совершался вокруг этой планеты с марта 2011 года по апрель 2015 года. В ходе этой миссии, также известной как Mercury Surface (Поверхность Меркурия), Space Environment (Космическое пространство), Geochemistry (Геохимия) и Ranging (Классификация) (название MESSENGER составлено из начальных букв этих слов - ed.), были собраны данные о геологических, химических свойствах и о магнитном поле планеты, пока у космического корабля не закончилось топливо и он не врезался в поверхность планеты.
«Мы знаем, что на поверхности Меркурия много углерода в виде графита, но проведено очень мало исследований о недрах планеты», - сказал Яньхао Линь (Yanhao Lin), научный сотрудник Центра передовых исследований в области высоких давлений и технологий (Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research) в Пекине и соавтор исследования, опубликованного в июне в журнале Nature Communications.
«По сравнению с Луной или Марсом мы очень мало знаем о Меркурии, в том числе потому, что у нас нет образцов с поверхности этой планеты», - сказал Шарлье. Меркурий отличается от всех других планет земной группы, добавил он, потому что он находится очень близко к Солнцу и, следовательно, имеет очень небольшое количество кислорода, что влияет на его химический состав.
Одним из открытий миссии MESSENGER стал тот факт, что Меркурий богат углеродом, а его поверхность имеет серый цвет из-за широкого распространения графита, который является формой углерода. Алмазы также состоят из чистого углерода и образуются при определенных условиях давления и температуры. Исследователи хотели выяснить, мог ли этот процесс образования алмазов происходить во время формирования планеты.
Когда Линь, Шарлье и их коллеги занимались подготовкой эксперимента по воссозданию условий, существовавших в недрах Меркурия вскоре после формирования планеты, одним из важнейших элементов было знание того, что на Меркурии также присутствует сера, как показали предыдущие исследования. «Мы обнаружили, что условия отличаются от земных, потому что на Меркурии содержится много серы, что привело к снижению температуры плавления нашего образца», - сказал Шарлье.
«Он полностью расплавился при более низкой температуре по сравнению с системой, не содержащей серы, что хорошо для стабильности алмаза, потому что алмаз любит высокое давление, но более низкую температуру. И главным, что показывают наши эксперименты, является то, что океан магмы Меркурия имеет более низкую температуру, чем ожидалось, и также он глубже, как мы знаем из повторной интерпретации геофизических измерений», - добавил он, ссылаясь также на данные, полученные с помощью космического аппарата MESSENGER.
Согласно исследованию, эти два фактора делают возможным образование алмазов.
Алмазы на поверхности?
Шарлье предупреждает, что толщина алмазного слоя, составляющая от 15 до 18 километров (9,3 и 11,1 мили), является лишь оценочным значением, и она может измениться, поскольку процесс формирования алмазов все еще продолжается по мере того, как ядро Меркурия продолжает остывать.
Также невозможно сказать, насколько большими могут быть отдельные алмазы. «Мы понятия не имеем об их размере, но алмаз состоит только из углерода, поэтому они должны быть похожи по своему составу на то, что мы знаем на Земле. Они будут выглядеть как чистые алмазы», - сказал он.
Можно ли когда-нибудь добыть эти алмазы? По словам Шарлье, это невозможно даже с помощью будущих, более передовых технологий, потому что они находятся на глубине около 500 километров (310 миль). «Однако некоторые лавы на поверхности Меркурия были образованы за счет расплавления очень глубокой мантии. Разумно предположить, что во время этого процесса некоторые алмазы могут быть вынесены на поверхность, по аналогии с тем, что происходит на Земле», - сказал он.
Этот процесс формирования алмазов может происходить на некоторых экзопланетах, которые мы открываем в нашей галактике, объяснил Шарлье, если в их химическом составе также содержится мало кислорода, как на Меркурии. «Если экзопланета меньше Меркурия, пограничный слой между ядром и мантией будет находиться слишком неглубоко, а давление будет слишком низким, что будет мешать образованию алмазов, - сказал он. - Но разница в размерах Меркурия и Земли в сочетании с низким содержанием кислорода являются благоприятными условиями для получения алмазов».
Ученые могут узнать больше в ближайшее время. Миссия под названием BepiColombo, состоящая из двух космических аппаратов, запущенных в октябре 2018 года, как ожидается, выйдет на орбиту Меркурия в декабре 2025 года после выполнения серии пролетов. Миссия, возглавляемая Европейским космическим агентством (European Space Agency) и Японским агентством аэрокосмических исследований (Japan Aerospace Exploration Agency), позволит изучить планету с орбиты и раскрыть гораздо больше о ее недрах и характеристиках.
Сотрудничество названо в честь итальянского ученого Джузеппе «Бепи» Коломбо (Giuseppe «Bepi» Colombo», который изобрел «гравитационный маневр» (пертурбационный маневр в поле тяготения планет - ed.), который обычно используется для отправки зондов на другие планеты.
«BepiColombo, возможно, позволит идентифицировать и количественно оценить содержание углерода на поверхности, а также наличие алмазов на поверхности или повышенное содержание графита, - сказал Шарлье. - Это было невозможно сделать с помощью миссии MESSENGER, и измерения также будут более точными, что позволит нам получить более точные данные о толщине границы ядра и мантии. Мы сможем снова проверить нашу гипотезу».
Важный шаг вперед
Шон Соломон (Sean Solomon), главный исследователь выполненной НАСА миссии MESSENGER на Меркурий и внештатный старший научный сотрудник Колумбийского университета в Нью-Йорке, сказал, что это является «интересной идеей», но во время будущих миссий на Меркурий сложно будет подтвердить ее. «Любой такой алмазный слой находится глубоко, и он относительно тонкий», - сказал он в электронном письме. Соломон не принимал участия в исследовании.
«Самым перспективным методом, вероятно, является сейсмология, поскольку скорости сейсмических волн в алмазе намного выше, чем в мантийных породах или материале ядра, но для проведения сейсмических измерений потребуется один или несколько долговременных посадочных модулей на поверхности Меркурия», - сказал Соломон. BepiColombo, единственная в настоящее время миссия, которая, как планировалось, должна была достичь планеты Меркурий, изначально имела посадочный модуль, но его исключили из-за бюджетных ограничений.
Фелипе Гонсалес (Felipe González), физик-теоретик с кафедры наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Беркли, который тоже не принимал участия в этой работе, сказал, что это исследование представляет собой важный шаг вперед в изучении недр планет, а также способов их формирования и путей их развития. Он также считает, что междисциплинарные исследования, подобные этому, являются ключом к решению сложных проблем, с которыми сталкиваются в науке в настоящее время.
Предложенный механизм, с помощью которого формируется этот алмазный слой, кажется вполне вероятным, добавил Гонсалес, но он все еще во многом зависит от наших предположений о недрах Меркурия. «Хотя на протяжении многих лет по мере более глубокого изучения этой планеты были установлены очень хорошие рамки и связи, мы можем лишь приблизительно определить ее состав с помощью наших моделей и в ходе наших экспериментов, основываясь на косвенных измерениях», - сказал он в письме по электронной почте.
«Тем не менее, это исследование по-прежнему представляет собой лучшее, что мы можем сделать с помощью того, чем мы располагаем в настоящее время, - сказал Гонсалес. - Только будущие миссии на планету Меркурий покажут, были ли эти прогнозы верны. На данный момент мы можем сосредоточиться на расширении нашего понимания поведения материалов в этих экстремальных условиях, выполняя больший объем работы и проводя более качественное моделирование и эксперименты в наших лабораториях».
