Меркурий има 16-километров слой диаманти под повърхността си

На пръв поглед Меркурий не прилича на място, създадено за разкош. Той е малък, изтормозен от слънчевата радиация, осеян с кратери и сив като пепел. Но дълбоко под тази мрачна повърхност най-вътрешната планета може би крие едно от най-странните съкровища в нашата система: слой от диаманти, формиран при условия, напълно различни от тези на Земята.

Тази вълнуваща възможност произлиза от нов анализ на вътрешността на Меркурий, базиран на данни от мисията MESSENGER на НАСА и лабораторни експерименти, целящи да възпроизведат дълбокото минало на планетата. Изследването показва, че въглеродът в Меркурий не присъства само под формата на графит – мекият минерал, който отдавна се свързва с необичайно тъмната кора на планетата. Част от него вероятно се е превърнала в диамант на границата между мантията и ядрото.

„Изчислихме, че предвид новата оценка на налягането на границата между мантията и ядрото и знаейки, че Меркурий е планета, богата на въглерод, въглеродсъдържащият минерал, който би се образувал на интерфейса между тях, е диамант, а не графит,“ обяснява Оливие Намюр, доцент в KU Leuven.

Предполагаемият слой не е просто разпръснати скъпоценни камъни. Това е дълбока, погребана зона, която според изследователите може да е дебела средно между 14,9 и 18,3 километра (около 9 до 11 мили).

Изображение на НАСА от 29 септември 2009 г. показва повърхността на Меркурий, заснета от космическия апарат Messenger по време на третото му прелитане. (ИЗТОЧНИК: AFP/Getty Images) Тъмната кора, която постави началото на мистерията

Учените от години знаят, че повърхността на Меркурий съдържа улики за необичайна въглеродна история. Спектралните данни от MESSENGER показаха, че ниската отразяваща способност на планетата се дължи на широко разпространения графит. Измерванията с неутронни и гама-лъчи поставиха съдържанието на въглерод в кората на около 2 до 4 тегловни процента, въпреки че по-нови анализи предполагат, че концентрацията може да е под 1%.

Във всеки случай, въглеродът изглежда е роден на самия Меркурий, а не е доставен главно от външни удари. Тясната връзка между графита и материала от долната кора, изложен в дълбоките кратери, сочи към вътрешен произход. Това е важно, защото предполага, че Меркурий някога е имал океан от магма, наситен с въглерод, който е останал ключов фактор по време на ранното диференциране на планетата.

Дълго време графитът изглеждаше като единствения логичен изход. Според по-ранните модели се смяташе, че мантията и магменият океан на Меркурий не достигат условията на налягане и температура, необходими за стабилизиране на диаманта. Тъй като графитът е по-малко плътен от разтопения силикат, той би изплувал нагоре и би помогнал за формирането на първичната кора – подобно на начина, по който леките минерали са изградили ранната кора на Луната.

Новата работа отваря въпроса отново, тъй като оценките за вътрешната структура на Меркурий се промениха. Използвайки нови модели, базирани на гравитацията, екипът преизчисли дълбочината и налягането на границата ядро-мантия. По-дълбоката граница означава по-високо налягане, а по-високото налягане променя коя форма на въглерода е предпочитана. Изследователите установиха, че налягането там вероятно е около 5,38 до 5,77 гигапаскала, като най-високите оценки достигат 7 гигапаскала. Това е напълно достатъчно, за да превърне „въглеродния проблем“ в нещо много по-интересно.

Художествено изображение на космическия кораб MESSENGER на Меркурий. (ИЗТОЧНИК: НАСА) Пресъздаване на Меркурий в лабораторията

За да тестват идеята, екипът използва преса с голям обем, за да възпроизведе екстремните условия дълбоко в ранния Меркурий. Те нагряват материали, подобни на тези на планетата, до температури от около 2170°C (3950 градуса по Фаренхайт) и изследват как тези материали се топят и кристализират под високо налягане.

Експериментите се фокусират върху състава на мантията, наподобяващ силикатната част на енстатитовите хондрити – метеорити, считани за близки аналози на първичния състав на Меркурий. Те също така вземат предвид сярата, която присъства в значителни количества на планетата. Сярата се оказа от огромно значение. Чрез понижаване на температурата на ликвидуса (температурата, при която магменият океан започва да кристализира), сярата „подтиква“ някои модели към полето на стабилност на диаманта. В случаите без сяра графитът оставаше предпочитан. Но със 7 до 11 тегловни процента сяра в силикатната стопилка, моделите подкрепиха образуването на диамант, особено при охлаждането на магмения океан.

Предложен сценарий за образуване на диамант на границата между ядрото и мантията на Меркурий. (ИЗТОЧНИК: Nature Communications) Диамантен слой от охлаждащото се ядро

Въпреки това, изследването установи, че директното образуване на диамант от магмения океан вероятно е било ограничено. Оливие Намюр посочва два основни процеса:

Кристализация на магмения океан: Този процес вероятно е допринесъл за формирането на съвсем тънък диамантен слой. Кристализация на металното ядро на Меркурий: Това е сърцевината на новия аргумент.

Когато Меркурий се е формирал преди около 4,5 милиарда години, ядрото му е било напълно разтопено. С охлаждането на планетата, вътрешното твърдо ядро е започнало да кристализира. Тъй като твърдата фаза е бедна на въглерод, този процес би концентрирал въглерода в оставащото течно външно ядро. След като стопилката вече не е можела да побере целия този въглерод, е трябвало да се формира въглеродно богата фаза – в случая диамант. Тъй като диамантът е много по-малко плътен от течната желязна сплав, той е изплувал нагоре, докато достигне границата с мантията. Там, с течение на времето, той се е натрупал в отчетлив слой.

Дебелината на диамантения слой на границата между ядрото и мантията. (ИЗТОЧНИК: Nature Communications) Защо Меркурий не е просто „малка Земя“

Химията на Меркурий го отличава от Венера, Земята и Марс. Планетата вероятно се е формирала по-близо до Слънцето от богат на въглерод прашен облак, което я прави по-бедна на кислород и по-богата на въглерод. Намюр отбелязва, че ядрото на Земята също съдържа въглерод и някои изследователи предполагат образуване на диаманти и там. Но Меркурий предлага много по-благоприятни условия поради силно редуцирания си състав и изобилието от сяра.

Констатациите докосват и магнитната сметка на Меркурий. Проводим диамантен слой би могъл да промени начина, по който топлината излиза от течното външно ядро, което има преки последици за генерирането на магнитното поле на планетата.

Диаманти на други места в Слънчевата система

Меркурий не е единственото място, където „вали“ или се крие скъпоценен въглерод. Ето къде другаде учените подозират наличието на диаманти:

Нептун и Уран: Смята се, че метанът в атмосферите на тези ледени гиганти се разпада под екстремно налягане, причинявайки „диамантен дъжд“, който потъва към ядрата им. Юпитер и Сатурн: Мълниеносните бури могат да превръщат метана в сажди, които се втвърдяват в графит и след това се компресират в диаманти, докато падат дълбоко в атмосферата. Метеорити: Някои метеорити съдържат микроскопични диаманти, образувани при сблъсъци в космоса или в недрата на астероиди. Екзопланети: Планетата 55 Cancri e е сочена за „диамантена планета“ поради високото си съдържание на въглерод и огромното налягане.

Макар че едва ли скоро ще пратим миньори на Меркурий, тези открития ни показват колко екстремна и разнообразна може да бъде геологията на съседните ни светове. Данните от предстоящата мисия BepiColombo (съвместен проект на ЕКА и JAXA) се очаква да хвърлят още повече светлина върху вътрешната структура на тази малка, но „скъпоценна“ планета.