Ученые рассказали, как метеорит помогает объяснить химический состав Меркурия

Фото из открытых источников

Меркурий — одна из четырёх каменистых планет Солнечной системы, однако его химический состав сильно отличается от Земли, Венеры и Марса. Миссии на планету показали, что у неё бедная железом, но богатая серой и магнием кора, что имеет значение для её внутреннего строения. Кроме того, планетологи знают её как самую редуцированную планету в Солнечной системе. Это означает, что в её химическом составе преобладают сульфиды, карбиды и силициды, в отличие от оксидов, которые мы наблюдаем на Земле.

Группа ученых из Университета Райса разработала способ моделирования восстановленного состояния Меркурия. У них не было образцов горных пород Меркурия, поэтому они импровизировали. «Поверхность Меркурия выглядит совершенно иначе, чем поверхность Земли», — сказал профессор Радждип Дасгупта из Космического института Райса. «Мы не могли изучать ее магматическую эволюцию, используя предположения, основанные на нашем понимании Земли, а данные миссий сложно интерпретировать. Нам пришлось найти способы приблизить планету к нашей лаборатории — в частности, с помощью метеорита Индарх».

Индарх упал на Землю в Азербайджане в 1891 году. Он классифицируется как энстатитовый хондрит типа EH4, очень редкого типа. Известно, что они образовались вблизи Солнца в ранней солнечной туманности и, помимо высокого содержания железа, также содержат редкие типы сульфидов (соединений, богатых серой). Вероятно, Индарх подвергся некоторому термическому нагреву во время своего образования и последующей эволюции.

Научные исследования Индарха показывают, что его химический состав очень похож на состав Меркурия. Это сделало его идеальным кандидатом для того, чтобы помочь научной группе понять, как Меркурий стал таким, какой он есть. «В химическом отношении Индарх так же восстановлен, как и горные породы на Меркурии», — сказал соавтор исследования Ишен Чжан. «Считается, что он может быть одним из строительных блоков планеты».

Чтобы изучить породу и определить, насколько она похожа на меркурийскую, команда «подготовила» в лаборатории несколько образцов меркурийских пород. Чжан создал модель состава расплава индарха, поместил ее в пробирку и подверг смесь воздействию высокой температуры в печи, чтобы воссоздать условия, существовавшие на Меркурии во время его формирования и эволюции. В результате выяснилось, что наличие серы в породе снижает температуру, при которой начинают кристаллизоваться магмы, подобные меркурийской. «Этот процесс подготовки породы может показать нам, что происходило в химическом отношении внутри Меркурия», — сказал Чжан. «Используя температурные, давлевые и химические ограничения, полученные из наблюдений космического аппарата и моделей, мы воссоздаем условия, подобные меркурийским, чтобы понять, как там формируются и эволюционируют магмы — даже без прямых образцов с планеты».

Наличие серы в среде с низким содержанием железа, такой как Меркурий, означает, что существовавшая сера должна была найти другие породы, к которым могла бы прикрепиться. В данном случае, по-видимому, она нашла магний и кальций. На Земле эти породообразующие элементы обычно связываются с кислородом. Это создало бы то, что мы видим на Земле сегодня — силикатную сетку, состоящую из кремния, кислорода и породообразующих элементов. Однако, когда сера замещает кислород, эта сетка ослабевает и кристаллизуется при более низкой температуре. «Поскольку Индарх может представлять собой состояние протопланеты Меркурия, — сказал Чжан, — эти эксперименты показывают, что Меркурий, вероятно, образовался с серой, занимающей структурное положение, которое на Земле принадлежит кислороду. Это коренным образом меняет способ затвердевания мантии планеты».

Сера понижает температуру, при которой восстановленные расплавленные породы начинают кристаллизоваться. Богатые серой магмы на Меркурии, по всей видимости, остаются расплавленными при более низких температурах. Это контрастирует с аналогичными типами земных магм, что означает, что Меркурий обладает уникальным химическим составом: низким содержанием железа, высоким содержанием серы и химически восстановленным состоянием.

Меркурий, как и другие каменистые планеты, образовался в виде расплавленной породы после аккреции планетезималов. Его формирование началось около 4,5 миллиардов лет назад, и его ранняя эволюция до сих пор недостаточно изучена. У него есть мантия, и, вероятно, на очень раннем этапе своей истории существовал магматический океан. Внутри него, возможно, находится твердое внешнее ядро, покрывающее более глубокое жидкое ядро, и, наконец, очень маленькое твердое ядро.

Эволюция планеты до состояния редуцированной планеты дает новое понимание того, как формируются и изменяются все каменистые планеты в зависимости от их химического состава. В частности, это может пролить свет на процесс дифференциации, который создает отчетливые слои на каменистых мирах и внутри них. Понимание того, как и когда он начинается во время формирования планеты, является важным шагом на пути к познанию полной истории каменистых миров и поведения их магмы.

Поскольку мы часто сравниваем другие каменистые планеты с тем, что нам известно о Земле, химический состав Меркурия дает планетологам возможность сравнить химическую эволюцию внутренних миров. Чжан обнаружил, что сера снижает температуру, при которой эти восстановленные расплавленные породы начинают кристаллизоваться. Это означает, что богатые серой магмы на Меркурии могут оставаться расплавленными при более низких температурах, чем аналогичные магмы на Земле. Причина этого значительно сниженного уровня кристаллизации, как выяснил Чжан, заключается в уникальном химическом составе Меркурия: низкое содержание железа, высокое содержание серы и химически восстановленное состояние.

«Это захватывающий взгляд на то, как Меркурий, возможно, эволюционировал как планета до своего уникального современного химического состава поверхности», — сказал Дасгупта. «Что еще важнее, это дает нам возможность рассматривать планеты не с точки зрения того, как образовалась Земля, а с точки зрения их собственного уникального химического состава и магматических процессов в совершенно разных условиях. То, что вода или углерод делают с магматической эволюцией Земли, сера делает с Меркурием».