Ученые обнаружили литий в экзосфере Меркурия с помощью анализа магнитных волн

Фото из открытых источников

Ученые с помощью новейшей технологии обнаружения магнитных волн впервые обнаружили литий в экзосфере Меркурия. Новое исследование было опубликовано в журнале Nature Communications. 

Экзосфера Меркурия — хрупкая среда, где молекулы газа разрежены и редко взаимодействуют друг с другом. С 1970-х годов такие миссии, как «Маринер-10», а позднее «Мессенджер», вращались вокруг Меркурия, собирая данные.

Благодаря информации, собранной миссиями и телескопами на Земле, ученые обнаружили присутствие таких частиц, как водород, калий, натрий и железо.

Открытие щелочных металлов, таких как калий и натрий, привело ученых к предположению, что, исходя из современных представлений о формировании планет, должны существовать и другие щелочные металлы, такие как литий.

На протяжении многих лет большинство усилий не дали никаких результатов, что позволяет предположить, что литий может присутствовать в экзосфере в крайне низких концентрациях.

Исследовательская группа под руководством Даниэля Шмида из Австрийской академии наук подошла к поискам с новой стороны.

Вместо прямого поиска атомов лития они использовали измерения магнитного поля для идентификации сигнатуры электромагнитных волн, называемых «ионно-циклотронными волнами» (ICW), указывающими на присутствие лития.

«В ходе нашего исследования данных магнитного поля MESSENGER мы выявили признаки захвата ионно-циклотронных волн, которые можно отнести к недавно ионизированному литию», — сказал Шмид. «Это открытие предполагает, что поверхность Меркурия обогатилась летучими элементами в результате постоянных метеоритных столкновений, что также способствует их выбросу в экзосферу и космос».

Межциклоновые облака образуются в результате многочисленных физических процессов, происходящих на поверхности Меркурия и в его атмосфере.

Когда нейтральные атомы лития поднимаются с поверхности Меркурия в космос, они сталкиваются с интенсивным солнечным ультрафиолетовым излучением. Это излучение отрывает электроны от атомов лития, превращая их в заряженные ионы лития.

Эти вновь ионизированные частицы увлекаются солнечным ветром — постоянным потоком заряженных частиц, исходящим от Солнца.

Когда солнечный ветер «подхватывает» эти свежие ионы лития, он создаёт нестабильность в окружающей плазме. Разница в скоростях между свежеобразованными ионами лития и частицами солнечного ветра порождает электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве.

Они генерируют характерный сигнал. Они колеблются на циклотронной частоте литий-ионов, характерной частоте, полностью определяемой уникальным соотношением массы к заряду лития и напряжённостью локального магнитного поля.

Это похоже на то, как если бы каждый элемент имел свой собственный электромагнитный отпечаток.

«Захваченные ионы создают волны на характерных частотах, что позволяет нам определять их присутствие по их магнитным сигнатурам», — пояснил Шмид. «Ни детекторы частиц на борту Mariner 10 и MESSENGER, ни наземные телескопы не смогли подтвердить наличие лития, несмотря на ожидания существования лития, основанные на обнаружении других летучих элементов».

Исследовательская группа проанализировала данные о магнитном поле, полученные с помощью MESSENGER за четыре года, и выявила 12 независимых событий, связанных с появлением межконтинентальных волн. Каждое событие, длившееся всего несколько десятков минут, давало краткий обзор выброса лития в разреженную атмосферу Меркурия.

Спорадический и кратковременный характер этих обнаружений дал важные подсказки о происхождении лития. Исследователи исключили медленно протекающие процессы, включая тепловой нагрев и продолжающуюся бомбардировку солнечным ветром.

Вместо этого все признаки указывали на взрывные события кратковременной продолжительности, такие как падение метеоритов.

Когда метеороиды падают на поверхность Меркурия со скоростью около 110 километров в секунду, они создают взрывные удары, которые испаряют как падающую породу, так и поверхностный материал Меркурия.

В результате столкновений образуются облака пара, нагретые до 2500–5000 Кельвинов. Этого достаточно, чтобы выбросить атомы лития в экзосферу Меркурия.

«Обнаружение лития и его связь с ударными событиями убедительно подтверждают эту гипотезу», — сказал Шмид. «Это показывает, что метеороиды не только приносят новый материал, но и испаряют существующие поверхностные отложения, высвобождая летучие вещества в экзосферу и поддерживая динамичный цикл поставок».

Исследователи подсчитали, что метеороиды, ответственные за обнаружение лития, имели радиус от 13 до 21 сантиметра и массу от 28 000 до 120 000 граммов.

Примечательно, что в результате таких ударов с поверхности может испариться примерно в 150 раз больше материала, чем масса самого метеороида.

Эти результаты ставят под сомнение традиционные представления о составе Меркурия. Ранние модели предполагали, что близость Меркурия к Солнцу должна была лишить его летучих элементов в процессе формирования планеты, оставив после себя относительно безжизненный мир.

«У Меркурия необычайно высокая плотность массы, а железное ядро имеет большие размеры по сравнению с его каменистой мантией», — пояснил Шмид. «Одна из гипотез предполагает, что мощное раннее столкновение в сочетании с близостью планеты к Солнцу привело к разрушению значительной части мантии и её летучих компонентов. Однако MESSENGER обнаружил значительное количество летучих элементов, что противоречит этой идее».

Вместо этого исследование предлагает иную картину. Поверхность Меркурия непрерывно обогащалась на протяжении миллиардов лет за счёт метеоритной бомбардировки. Это открывает новый взгляд на эволюцию каменистых планет в условиях постоянной бомбардировки.

Помимо применения к Меркурию, этот подход может помочь ученым исследовать разреженные атмосферы по всей Солнечной системе, особенно в местах, где прямой сбор данных затруднен.

«Они предполагают, что даже безвоздушные тела, такие как Луна, Марс и астероиды, могут приобретать летучие вещества после своего формирования посредством внеземной доставки», — отметил Шмид. «На самом деле, это уже было продемонстрировано на Луне. Это имеет важное значение для понимания химии поверхности и долгосрочного космического выветривания во внутренней части Солнечной системы».