Алмазы, возможно, образовались вскоре после того, как сам Меркурий превратился в планету около 4,5 миллиардов лет назад из клубящегося облака пыли и газа в условиях высокого давления и высокой температуры окружающей среды, отмечает CNN. Считается, что в то время молодая планета имела графитовую кору, плавающую над глубоким океаном магмы.
Команда исследователей воссоздала эту обжигающую среду в ходе эксперимента с помощью машины под названием "Пресс-наковальня", которая обычно используется для изучения поведения материалов под экстремальным давлением, а также для производства синтетических алмазов.
“Это огромный пресс, который позволяет нам обрабатывать крошечные образцы при таком же высоком давлении и температуре, которые мы ожидали бы получить глубоко внутри мантии Меркурия, на границе между мантией и ядром”, - сказал Бернар Шарлье, заведующий кафедрой геологии Льежского университета в Бельгии и соавтор исследования, в котором были представлены результаты.
Команда ученых поместила синтетическую смесь элементов, включая кремний, титан, магний и алюминий, в графитовую капсулу, имитирующую теоретический состав внутренней части Меркурия на заре его существования. Затем исследователи подвергли капсулу давлению, почти в 70 000 раз превышающему давление, наблюдаемое на поверхности Земли, и температуре до 2000 градусов по Цельсию (3630 градусов по Фаренгейту), что, вероятно, соответствовало условиям, существовавшим вблизи ядра Меркурия миллиарды лет назад.
После того как образец расплавился, ученые изучили изменения в химическом составе и минералах под электронным микроскопом 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 о планетарной эволюции и внутреннем строении экзопланет с аналогичными характеристиками.
Меркурий - вторая по плотности планета после Земли. Большое металлическое ядро занимает 85% радиуса Меркурия, и это также наименее изученная из планет земной группы Солнечной системы. Последняя завершенная миссия НАСА к Меркурию, МЕССЕНДЖЕР, совершала облет планеты в период с марта 2011 по апрель 2015 года. Также известная как миссия по изучению поверхности Меркурия, космической среды, геохимии и дальномеру, она собрала данные о геологии, химическом составе и магнитном поле планеты до того, как у космического аппарата закончилось топливо и он столкнулся с поверхностью.
“Мы знаем, что на поверхности Меркурия много углерода в виде графита, но существует очень мало исследований о внутренней части планеты”, - сказал Яньхао Лин, штатный научный сотрудник Центра передовых исследований науки и техники высокого давления в Пекине и соавтор исследования, которое появилось в июне в журнале Nature Communications.
“По сравнению с Луной или Марсом, мы очень мало знаем о Меркурии, в том числе и потому, что у нас нет никаких образцов с поверхности планеты”, - сказал Шарлье. Меркурий отличается от всех других планет земной группы, добавил он, тем, что находится так близко к Солнцу и поэтому содержит очень мало кислорода, что влияет на его химический состав.
Одним из открытий MESSENGER стало то, что Меркурий богат углеродом, а его поверхность имеет серый цвет из-за широко распространенного присутствия графита, который является одной из форм углерода. Алмазы также состоят из чистого углерода, который образуется при определенных условиях давления и температуры. Исследователи хотели выяснить, мог ли этот процесс протекать во время формирования планеты.
Когда Лин, Шарлье и их коллеги готовили эксперимент по имитации внутренней среды Меркурия вскоре после образования планеты, одним из важнейших элементов было знание того, что сера также присутствует на Меркурии, как показали результаты предыдущих исследований. “Мы выяснили, что условия здесь отличаются от земных, потому что на Меркурии много серы, что снизило температуру плавления нашего образца”, - отмечает Шарлье.
“Он полностью расплавился при более низкой температуре по сравнению с системой без серы, что хорошо сказывается на стабильности алмаза, потому что алмаз любит высокое давление, но более низкую температуру. И это в основном то, о чем говорят нам наши эксперименты: магматический океан Меркурия холоднее, чем ожидалось, а также глубже, как мы знаем из новой интерпретации геофизических измерений”, - добавил он, ссылаясь также на данные MESSENGER.
Согласно исследованию, именно эти два фактора делают возможным образование алмазов.
Шарлье предупреждает, что толщина алмазного слоя, составляющая от 15 до 18 километров, является лишь приблизительной и она может измениться, поскольку процесс образования алмазов все еще продолжается, поскольку ядро Меркурия продолжает охлаждаться.
Также невозможно сказать, насколько крупными могут быть отдельные алмазы. “Мы понятия не имеем об их размере, но алмазы состоят только из углерода, поэтому их состав должен быть похож на тот, который мы знаем на Земле. Они будут выглядеть как чистые алмазы”, - сказал он.
Смогут ли алмазы когда-нибудь быть добыты? По словам Шарлье, это было бы невозможно даже при использовании более совершенных технологий будущего, поскольку они находятся на глубине около 500 километров. “Однако некоторые лавы на поверхности Меркурия образовались в результате плавления очень глубоких слоев мантии. Разумно предположить, что этот процесс способен вывести некоторое количество алмазов на поверхность по аналогии с тем, что происходит на Земле”, - сказал он.
Шарлье объяснил, что этот процесс образования алмазов может происходить на некоторых экзопланетах, которые мы обнаруживаем в нашей галактике, если в их химическом составе так же мало кислорода, как на Меркурии. “Если экзопланета меньше Меркурия, граница между ядром и мантией была бы слишком мелкой, а давление - слишком низким, что препятствовало бы образованию алмазов, - сказал он. - Но размеры между Меркурием и Землей в сочетании с низким содержанием кислорода создают благоприятные условия для получения алмазов”.
Возможно, вскоре ученые узнают больше. Ожидается, что миссия BepiColombo, состоящая из двух космических аппаратов, запущенных в октябре 2018 года, после серии облетов осуществит вывод на орбиту Меркурия в декабре 2025-го. Миссия, возглавляемая Европейским космическим агентством и Японским агентством аэрокосмических исследований, изучит планету с орбиты и расскажет гораздо больше о ее внутреннем устройстве и характеристиках.
Сотрудничество названо в честь итальянского ученого Джузеппе “Бепи” Коломбо, который изобрел маневр “гравитационный ассистент”, обычно используемый для отправки зондов к другим планетам.
“BepiColombo, возможно, сможет идентифицировать и количественно оценить содержание углерода на поверхности, а также определить, есть ли на поверхности алмаз или больше графита, - сказал Шарлье. - Это было невозможно с помощью MESSENGER, и измерения также будут более точными, что даст нам более точные оценки глубины границы между ядром и мантией. Мы сможем еще раз проверить нашу гипотезу”.
Шон Соломон, главный исследователь миссии НАСА МЕССЕНДЖЕР к Меркурию и старший научный сотрудник Колумбийского университета в Нью-Йорке, сказал, что это представляет собой "интересную идею", но для будущих миссий к Меркурию будет сложной задачей подтвердить ее. “Любой такой алмазный слой является глубоким и относительно тонким”, - сказал он в электронном письме. Соломон не принимал участия в исследовании.
“Наиболее перспективным методом, вероятно, является сейсмология, поскольку скорости сейсмических волн в алмазе намного выше, чем в мантийных породах или материале керна, но для сейсмических измерений потребовался бы один или несколько долгоживущих спускаемых аппаратов на поверхности Меркурия”, - сказал Шон Соломон. У "Бепиколомбо", единственной миссии, которая в настоящее время планирует достичь Меркурия, первоначально был посадочный модуль, но он был сокращен из-за бюджетных ограничений.
Фелипе Гонсалес, физик-теоретик факультета наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Беркли, который также не принимал участия в работе, сказал, что исследование представляет собой важный шаг вперед в нашем понимании планетарных недр и того, как они формируются и эволюционируют. Он считает, что междисциплинарные исследования, подобные этому, являются ключом к решению сложных проблем, с которыми мы сталкиваемся сегодня в науке.
Предложенный механизм, с помощью которого образуется этот алмазный слой, правдоподобен, добавил Гонсалес, но он все еще в значительной степени зависит от наших предположений о внутренней структуре Меркурия. “Несмотря на то что на протяжении многих лет, по мере того как мы все глубже изучаем эту планету, были установлены очень серьезные ограничения, мы можем только приблизительно определить ее состав в наших моделях и экспериментах на основе косвенных измерений”, - сообщил он по электронной почте.
“Тем не менее это исследование по-прежнему представляет собой лучшее, что мы можем сделать из того, что у нас есть на данный момент, - сказал Гонсалес. - Только будущие миссии на планету Меркурий покажут, были ли эти прогнозы верными. На данный момент мы можем сосредоточиться на улучшении нашего понимания материалов в этих экстремальных условиях, проводя больше и качественнее симуляции и эксперименты в наших лабораториях”.
