Меркурий и Земля пошли разными путями после своего формирования. Меркурий — самая маленькая планета и ближайшая к Солнцу — остыл относительно быстро. Примерно через миллиард лет после образования вулканическая активность там, вероятно, уже практически прекратилась, оставив планету под сплошной твёрдой каменной корой.

Земля никогда не достигала такого состояния: её кора остаётся геологически активной, а вулканы и тектоника плит непрерывно меняют облик планеты. Меркурий же на протяжении миллиардов лет остаётся практически «замороженным». Учёные до сих пор пытаются понять, как именно разворачивалась его вулканическая история и как эти ранние процессы сформировали мир, который мы видим сегодня.

Один из лучших способов разобраться в этом — изучение химического состава поверхности Меркурия.

Меркурий содержит меньше диоксида кремния, чем ожидалось

Исследователи из Института исследований Солнечной системы Общества Макса Планка, а также университетов Мюнстера и Гёттингена получили наиболее точную на сегодняшний день оценку содержания диоксида кремния на поверхности Меркурия.

Результаты, опубликованные в журнале Planetary Research, оказались неожиданными: диоксид кремния составляет около 37 процентов массы поверхностного материала Меркурия — до 25 процентов меньше, чем предполагали предыдущие оценки.

Диоксид кремния чрезвычайно распространён на Земле. Это соединение одного атома кремния и двух атомов кислорода встречается в чистом виде, например, в песке, а также является важным компонентом вулканических пород. Базальт, андезит и гранит могут содержать до 75 процентов диоксида кремния.

Неожиданно низкое содержание этого вещества на Меркурии может дать важную подсказку о том, как формировалась кора планеты.

«Наши результаты позволяют предположить, что вулканические породы Меркурия образовались из более глубоко расплавленного материала мантии, чем считалось ранее», — заявил Кристиан Ренггли, ведущий автор исследования и руководитель исследовательской группы «Экспериментальная лаборатория магматического океана» в MPS.

Подсказка о горячих недрах Меркурия

Мантия — это слой под твёрдой корой планеты. На ранних этапах истории планеты значительная часть этой области может оставаться расплавленной.

По мере постепенного остывания расплавленной мантии первые затвердевающие породы содержат относительно мало диоксида кремния. Чем больше материала кристаллизуется, тем выше концентрация диоксида кремния в оставшемся расплаве. Поэтому лава, достигающая поверхности на более поздних этапах, обычно содержит больше этого соединения.

Это означает, что необычно низкий уровень диоксида кремния на поверхности может указывать на иную историю. В случае Меркурия находка позволяет предположить, что вулканический материал мог поступать из более глубоких областей мантии, где происходило более масштабное плавление при очень высоких температурах.

Другая возможность состоит в том, что кора Меркурия изначально содержала больше диоксида кремния, но со временем постепенно теряла кислород.

Крошечные стеклянные шарики помогают расшифровать другую планету

Определить точный состав Меркурия сложно, поскольку учёные никогда не собирали образцы пород с его поверхности. Ни один посадочный аппарат там не работал, поэтому исследователям приходится полагаться на дистанционные наблюдения с телескопов и космических аппаратов.

Инфракрасное излучение, испускаемое поверхностью, может дать подсказки о том, какие минералы и химические соединения там присутствуют. Задача в том, чтобы научиться переводить эти инфракрасные сигналы в надёжные оценки состава.

Чтобы усовершенствовать этот процесс, исследователи сначала создали крошечные стеклянные шарики в лаборатории. Каждый шарик диаметром всего около половины миллиметра содержал точно контролируемое количество диоксида кремния. Затем команда измерила точные инфракрасные свойства каждого образца.

«Стеклянные шарики выполняют функцию, аналогичную калибровочным гирям на весах, — объясняет Ирис Вебер из Мюнстерского университета. — Их вес известен точно. Поэтому они позволяют нам правильно интерпретировать показания весов. Точно так же стеклянные шарики позволяют нам делать правильные выводы из свойств инфракрасного излучения».

Проверка метода на Луне

Прежде чем применить метод к Меркурию, учёные испытали его на гораздо более крупном естественном объекте — Луне.

Луна представляет собой необычайно удобный тест, поскольку у учёных есть как детальные дистанционные наблюдения, так и реальные образцы лунных пород. Лунный орбитальный разведчик NASA обращается вокруг Луны с 2009 года, собирая измерения инфракрасного излучения с её поверхности высокого разрешения.

Используя эти измерения и новый метод калибровки, исследователи создали первую полную карту содержания диоксида кремния по всей поверхности Луны.

Затем они сравнили результаты с лунными породами, доставленными на Землю из разных мест пилотируемыми миссиями и беспилотными аппаратами. Это сравнение позволило проверить, соответствуют ли оценки на основе инфракрасного излучения известному составу реальных образцов.

«Луна для нас — своего рода пробный камень и важная концептуальная ступень на пути к Меркурию».

Кристиан Ренггли, первый автор и руководитель исследовательской группы «Экспериментальная лаборатория магматических океанов» в MPS

Метод направляют на Меркурий

Только после того, как метод успешно прошёл эту «лунную проверку», исследователи применили его к Меркурию.

На заключительном этапе исследования они проанализировали инфракрасные наблюдения Меркурия, собранные с Земли, включая измерения, выполненные с помощью телескопа Бока в обсерватории Стюарда в американском штате Аризона.

Эти данные привели к оценке, что поверхность Меркурия содержит около 37 процентов диоксида кремния — существенно меньше, чем считали учёные ранее.

Теперь исследователи надеются, что миссия BepiColombo Европейского космического агентства обеспечит ещё более точную проверку их выводов.

BepiColombo может подтвердить химический состав Меркурия

BepiColombo, состоящая из двух отделяемых зондов, предоставленных ESA и JAXA соответственно, должна выйти на орбиту вокруг Меркурия в ноябре этого года. Первый шаг к этой фазе миссии произошёл 3 сентября 2026 года, когда оба зонда отделились от транспортного модуля.

Заняв позицию, инструмент MERTIS на борту BepiColombo соберёт гораздо более точные инфракрасные измерения Меркурия с существенно более высоким разрешением. MERTIS был разработан и построен под руководством DLR совместно с Институтом планетологии Мюнстерского университета.

Эти наблюдения могут подтвердить, действительно ли Меркурий обладает столь необычно низкой концентрацией диоксида кремния, и дать учёным более ясную картину экстремальных условий, сформировавших его кору миллиарды лет назад.

«Наше исследование закладывает основу для получения максимально точной информации о содержании диоксида кремния на поверхности Меркурия из измерений BepiColombo», — сказал Кристиан Ренггли.

Источники:

sciencedaily.com

Материалы предоставлены Институтом исследований Солнечной системы Общества Макса Планка.

Christian Renggli, Andreas Morlok, Iris Weber, Maximilian P. Reitze, Tommaso Di Rocco, Jasper Berndt, Andreas Pack, Harald Hiesinger. The SiO2 abundance on the surfaces of the Moon and Mercury. Planetary Research, 2026; 1 (1) DOI: 10.53480/bf74-m226