На глубине нескольких сотен миль под своей поверхностью Меркурий может иметь толстый слой алмазов, как показало новое исследование. Результаты, опубликованные 14 июня в журнале Nature Communications, могут помочь разгадать тайны состава планеты и её необычного магнитного поля.
Меркурий полон загадок. Например, у него есть магнитное поле. Хотя оно намного слабее земного, наличие магнитного поля неожиданно, поскольку планета мала и, кажется, геологически неактивна. У Меркурия также есть необычно тёмные участки поверхности, которые миссия NASA «Messenger» определила как графит, разновидность углерода.

Именно это последнее свойство вызвало любопытство у Яньхао Лина (Yanhao Lin), научного сотрудника Центра передовых исследований в области науки о высоком давлении и технологий в Пекине и соавтора исследования. Экстремально высокое содержание углерода на Меркурии «заставило меня понять, что внутри планеты, вероятно, произошло что-то особенное», — сказал он в заявлении.
Несмотря на странности Меркурия, учёные подозревают, что он, вероятно, сформировался так же, как и другие планеты земной группы: в результате остывания горячего океана магмы. В случае Меркурия этот океан, вероятно, был богат углеродом и силикатом. Сначала металлы коагулировали в нём, образуя центральное ядро, в то время как оставшаяся магма кристаллизовалась в среднюю мантию и внешнюю кору планеты.
Долгое время исследователи полагали, что температура и давление в мантии были достаточно высокими, чтобы углерод мог образовать графит, который, будучи легче мантии, всплыл на поверхность. Но исследование 2019 года предположило, что мантия Меркурия может быть на 80 миль (50 километров) глубже, чем считалось ранее. Это значительно повысило бы давление и температуру на границе между ядром и мантией, создавая условия, при которых углерод мог бы кристаллизоваться в алмаз.
Для изучения этой возможности команда бельгийских и китайских исследователей, включая Лина, создала химические смеси, включающие железо, кремнезем и углерод. Такие смеси, по своему составу подобные определённым видам метеоритов, предположительно имитируют магматический океан раннего Меркурия. Исследователи также добавили в эти смеси различные количества сульфида железа, предполагая, что магматический океан содержал много серы, так как современная поверхность Меркурия также богата серой.
Используя пресс с несколькими наковальнями, команда подвергла химические смеси давлению в 7 гигапаскалей — примерно в 70 тыс. раз больше давления земной атмосферы на уровне моря — и температуре до 3578 градусов по Фаренгейту (1970 градусов по Цельсию). Эти экстремальные условия имитируют те, что находятся глубоко внутри Меркурия.
Кроме того, исследователи использовали компьютерные модели, чтобы получить более точные измерения давления и температуры на границе ядра и мантии Меркурия, а также смоделировать физические условия, при которых графит или алмаз будут стабильными. Такие компьютерные модели, по мнению Лина, рассказывают нам о фундаментальных структурах внутренней части планеты.

Эксперименты показали, что в мантии, вероятно, образовались такие минералы, как оливин — открытие, которое согласуется с предыдущими исследованиями. Однако команда также обнаружила, что добавление серы в химический коктейль приводит к его затвердеванию только при гораздо более высоких температурах. Такие условия более благоприятны для образования алмазов. Действительно, компьютерное моделирование команды показало, что в этих измененных условиях, когда затвердевало внутреннее ядро Меркурия, могли кристаллизоваться алмазы. Поскольку алмазы были менее плотными, чем ядро, они всплывали к границе между ядром и мантией. Расчёты также показали, что алмазы, если они присутствуют, образуют слой средней толщиной около 9 миль (15 км).
Правда добыча этих драгоценных камней вряд ли возможна. Помимо экстремальных температур планеты, алмазы находятся слишком глубоко — примерно на 300 миль (485 км) под поверхностью — чтобы их можно было извлечь.
Однако драгоценные камни важны по другой причине: они могут быть ответственны за магнитное поле Меркурия. Алмазы могут способствовать переносу тепла между ядром и мантией, что создавало бы температурные различия и заставляло бы жидкое железо перемешиваться, тем самым создавая магнитное поле, объяснил Лин.
Результаты также могут помочь объяснить, как эволюционируют экзопланеты, богатые углеродом.
«Процессы, которые привели к формированию алмазного слоя на Меркурии, могли также происходить и на других планетах, потенциально оставляя подобные следы», — сказал Лин.
Больше подсказок может предоставить «BepiColombo», совместная миссия Европейского космического агентства и Японского агентства аэрокосмических исследований. Запущенный в 2018 году, космический аппарат должен начать выход на орбиту Меркурия в 2025 году.