Моделирование предполагает наличие алмазного слоя на границе ядра и мантии Меркурия

Предлагаемый сценарий образования алмаза на границе ядра и мантии Меркурия. (а) Кристаллизация насыщенного углеродом силикатного магматического океана и потенциальное, но маловероятное, раннее производство алмаза на его основе. Графит был основной фазой, формировавшейся в океане магмы и накапливавшейся на поверхности, образуя первичную графитовую корку. (б) Во время кристаллизации внутреннего ядра алмаз растворился и всплыл на границу ядра и мантии. Такой поздний слой алмаза продолжал бы расти на протяжении всей кристаллизации ядра. Автор: Dr. Yanhao Lin and Dr. Bernard Charlier.

Недавнее исследование ученых из Китая и Бельгии, опубликованное в журнале Nature Communications, предполагает, что граница ядра и мантии Меркурия (CMB) включает в себя алмазный слой потенциально толщиной до 18 километров, расположенный глубоко в недрах планеты.

Это заставило исследователей поверить в то, что в ранней истории планеты существовал океан магмы, богатый углеродом. 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 на Меркурии может иметь серьезные последствия. Это заставило меня осознать, что внутри его недр, вероятно, произошло что-то особенное», — сказал доктор Лин.

Что мы знаем о Меркурии

Самая подробная информация о Меркурии поступает от миссий НАСА MESSENGER и Mariner 10.

Предыдущие наблюдения космического корабля MESSENGER показали, что поверхность Меркурия необычно темная из-за широкого присутствия графита.

Считается, что обилие углерода на поверхности произошло из-за древнего слоя графита, который рано всплыл на поверхность. Это говорит о том, что у Меркурия когда-то был расплавленный поверхностный слой или океан магмы, содержащий значительное количество углерода.

Со временем, когда планета остыла и затвердела, этот углерод образовал на поверхности графитовую корку.

Однако исследователи оспаривают предположение о том, что графит был единственной стабильной углеродсодержащей фазой во время кристаллизации магматического океана Меркурия. Это когда мантия планеты (средний слой) остывает и затвердевает.

Ранние предположения о графитовой корке основывались на предсказаниях более низкой температуры и давления в CMB. Но новые исследования показывают, что реликтовое излучение глубже, чем считалось ранее, что побудило исследователей переоценить графитовую корку.

Кроме того, другое исследование также предположило наличие серы в железном ядре Меркурия. Присутствие серы может повлиять на кристаллизацию магматического океана Меркурия, тем самым ставя под сомнение первоначальное утверждение о присутствии только графита на этой фазе.

Воссоздание условий недр Меркурия

Чтобы воссоздать условия внутренней части Меркурия, исследователи использовали сочетание экспериментов с высоким давлением и температурой, а также термодинамическое моделирование.

«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», — объяснил доктор Лин.

В качестве исходного материала они использовали синтетический силикат, напоминающий состав мантии Меркурия. Это широко используемый метод изучения недр планет.

Исследователи достигли уровня давления до 7 гигапаскалей (ГПа), что примерно в семь раз превышает давление, обнаруженное в самых глубоких частях Марианской впадины.

В этих условиях команда изучила, как минералы (найденные в недрах Меркурия) плавятся и достигают равновесных фаз, и охарактеризовала эти фазы, сосредоточив внимание на фазах графита и алмаза.

Они также проанализировали химический состав экспериментальных образцов.

«То, что мы делаем в лаборатории, — это имитировать экстремальное давление и температуру внутри планеты. Иногда это сложная задача: вам нужно настроить устройства так, чтобы они соответствовали вашим потребностям. Экспериментальные установки должны быть очень точными, чтобы имитировать эти условия», объяснил доктор Лин.

Они также использовали геофизическое моделирование для изучения наблюдаемых данных о внутренней части Меркурия.

«Геофизические модели в основном основаны на данных, собранных космическими аппаратами, и они рассказывают нам о фундаментальных структурах внутренней части планеты», — сказал доктор Лин.

Они использовали эту модель для прогнозирования фазовой стабильности, расчета давления и температуры реликтового излучения, а также моделирования стабильности графита и алмаза при экстремальных температурах и давлениях.

Алмазы образуются под давлением

Объединив экспериментальные данные с геофизическим моделированием, исследователи смогли оценить давление реликтового излучения Меркурия примерно в 5,575 ГПа.

При содержании серы примерно 11% исследователи наблюдали значительное изменение температуры на 358 К в магматическом океане Меркурия. Исследователи предполагают, что, хотя графит, вероятно, был доминирующей углеродной фазой во время кристаллизации океана магмы, кристаллизация ядра привела к образованию слоя алмаза в реликтовом слое.

«Сера снижает ликвидус магматического океана Меркурия. Если алмаз образуется в магматическом океане, он может опуститься на дно и отложиться в реликтовом излучении. С другой стороны, сера также способствует образованию слоя сульфида железа в реликтовом океане., что связано с содержанием углерода во время планетарной дифференциации», — объяснил доктор Лин.

Планетарная дифференциация относится к процессу, при котором планета приобретает внутреннюю структуру, т. е. центр или ядро, к которому опускаются более тяжелые минералы, и поверхность или кору, к которой поднимаются более легкие минералы.

Согласно их выводам, толщина алмазного слоя на CMB составляет от 15 до 18 километров. Они также предполагают, что нынешняя температура реликтового излучения Меркурия близка к точке, где графит может перейти в алмаз, в результате стабилизируя температуру реликтового излучения Меркурия.

Богатые углеродом экзопланетные системы

Одним из последствий этих открытий является магнитное поле Меркурия, которое аномально сильно для его размера.

Доктор Лин объяснил: «Углерод из расплавленного ядра становится перенасыщенным по мере охлаждения, образуя алмаз и перемещаясь в реликтовое излучение. Высокая теплопроводность алмаза помогает эффективно передавать тепло от ядра к мантии, вызывая температурное расслоение и изменение конвекции в жидкой внешней среде Меркурия. ядра и, таким образом, влияя на генерацию его магнитного поля».

Проще говоря, поскольку тепло передается от ядра к мантии, оно влияет на температурные градиенты и конвекцию в жидком внешнем ядре Меркурия, что влияет на генерацию его магнитного поля.

Доктор Лин также отметил решающую роль, которую играет углерод в формировании богатых углеродом экзопланетных систем.

«Это также может иметь отношение к пониманию других планет земной группы, особенно тех, которые имеют схожие размеры и состав. Процессы, которые привели к образованию алмазного слоя на Меркурии, могли также происходить и на других планетах, потенциально оставляя аналогичные следы», — заключил он. Доктор Лин.

Больше информации: Yongjiang Xu et al, A diamond-bearing core-mantle boundary on Mercury, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49305-x.