Меркурий не спешит раскрывать свои тайны. Самая маленькая планета в нашей солнечной системе также является одной из самых экстремальных — обожжённая солнцем, богатая металлами планета с загадочным магнитным полем и лавой, непохожей на земную.
«Мы до сих пор не до конца понимаем, как Меркурий стал таким, какой он есть, — говорит Энн Поммье, экспериментальный геофизик из Лаборатории Земли и планет Carnegie Science (EPL). — Но каждая новая точка данных помогает сузить круг возможностей».
В недавней лекции по соседству Поммье рассказала о прошлом, настоящем и будущем Меркурия, опираясь на десятилетия исследований, новые лабораторные эксперименты и перспективы новой миссии, которая скоро начнётся.
Учёные из Carnegie давно интересуются Меркурием. В 1903 году в ежегоднике учреждения отмечалось, что «наблюдения за Меркурием очень важны». Десятилетия спустя планетолог Джордж Уезерилл — директор бывшего Департамента земного магнетизма Carnegie (DTM, который сейчас является частью EPL) — предсказал сильно кратерированную поверхность Меркурия задолго до того, как это подтвердили космические аппараты. В 2000-х годах другой директор DTM, Шон Соломон, возглавил миссию NASA MESSENGER, которая в течение четырёх лет находилась на орбите Меркурия и изменила наше представление о его поверхности и недрах.
«Всё, что мы знаем об этой планете, в основном получено благодаря двум миссиям: Mariner 10 и MESSENGER, — сказала Поммье. — Обе они вызвали столько же вопросов, сколько и ответили».
Один из самых больших вопросов: почему Меркурий так богат металлами? Его ядро составляет 60% объёма планеты — для сравнения, у Земли это 15%. Некоторые учёные считают, что он образовался из богатых металлами строительных блоков, другие полагают, что ранние столкновения стёрли большую часть его каменистой мантии.
«Нам нужны дополнительные данные из полевых исследований, больше экспериментов, больше моделирования, чтобы понять, какая гипотеза имеет наибольший смысл», — сказала Поммье.
Ответы могут появиться в ближайшее время. В 2025 году совместная европейско-японская миссия BepiColombo начнёт облетать Меркурий. Её инструменты будут исследовать магнитное поле планеты, её химический состав и — что особенно важно для Поммье — электрическую проводимость.
Но для интерпретации этих данных требуется то, чего у нас пока нет: детальное понимание того, как ведут себя породы, похожие на меркурианские, в условиях, подобных меркурианским.
Чтобы восполнить этот пробел, команда Поммье создаёт аналогичные материалы, которые воспроизводят геохимию Меркурия с низким содержанием кислорода — или «восстановленную». В таких условиях элементы ведут себя по-разному, образуя необычные минералы.
«Меркурий — это планета с очень низким содержанием кислорода — совершенно не похожая на Землю, — сказала Поммье. — Его породы богаты серой и другими элементами, которые процветают в условиях низкого содержания кислорода, образуя такие минералы, как сульфиды железа и кальция, которые редко встречаются на Земле».
Чтобы изучить вулканическое прошлое Меркурия, сотрудники Поммье синтезировали стёкла, похожие на меркурианские — искусственные лавы, основанные на данных MESSENGER — и проанализировали их с помощью инструментов высокого разрешения, включая рамановскую спектроскопию, ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и электронную микроскопию.
Результаты выявили поразительную разницу. На Земле лава состоит из кремний-кислородных связей, которые образуют липкие, похожие на полимеры цепи. На Меркурии сера связывается с кремнием, создавая более короткие, менее связанные структуры кремний-сера.
«Это радикально меняет их физические свойства, — сказала Поммье. — Сера разрывает эти длинные цепи и заменяет их более короткими, менее связанными структурами».
Вывод таков: древние лавы Меркурия могли течь скорее как сироп, чем как смола. Бывший постдок Carnegie Меган Маузер измерила вязкость этих лавы и обнаружила, что она на порядки ниже, чем у Земли. Это может помочь объяснить удивительно гладкие вулканические равнины планеты — хотя Поммье отмечает, что могут быть задействованы и другие факторы.
Тем не менее это подчёркивает более широкую истину в планетологии: химия на атомном уровне может формировать целые ландшафты.
Магнитное поле Меркурия — ещё одна загадка. Хотя оно слабое, оно всё ещё активно — удивительно для такой маленькой, медленно остывающей планеты. Чтобы выяснить почему, Поммье и её коллега из Великобритании Кристофер Дэвис и его исследовательская группа запустили тысячи моделей, имитирующих эволюцию ядра Меркурия на протяжении миллиардов лет.
Только узкий диапазон сценариев воспроизвёл как поле, которое мы наблюдаем сегодня, так и магнитную сигнатуру, обнаруженную в породах коры, сформировавшихся 3,8 миллиарда лет назад. В этих моделях Меркурий поддерживает своё динамо, медленно наращивая твёрдое внутреннее ядро, в то время как тонкий конвективный слой во внешнем ядре продолжает генерировать поле.
«Мы думаем, что конвективная область в расплавленном внешнем ядре становится всё тоньше и тоньше, — сказала Поммье, — что может объяснить, почему поле сегодня такое слабое».
Инструменты и методы, разработанные в лаборатории Поммье, такие как прессы высокого давления, спектроскопия и тепловое моделирование, также используются в энергетических исследованиях, материаловедении и электронике.
«Фундаментальные исследования приводят к открытиям, которые не только рассказывают нам о Меркурии, — сказал директор EPL Майк Уолтер, — они также приводят к техническим достижениям, которые имеют применение в реальном мире».
Уолтер и Поммье подчеркнули, что фундаментальная наука — такая, которая раскрывает, из чего состоит Меркурий или как формируется магнитное поле, — в конечном итоге лежит в основе открытий и технологий, которые формируют нашу жизнь.
Поммье отметила, что её лаборатория всегда заинтересована в благотворительной поддержке со стороны тех, кто заинтересован в продвижении более глубокого понимания недр планет.
В мире, полном скалистых планет, та, которая нарушает все правила, может стать ключом к пониманию их всех. По мере того как астрономы открывают всё больше скалистых миров вокруг далёких звёзд, Меркурий служит важным эталоном — достаточно близким, чтобы его можно было изучить, но достаточно чуждым, чтобы бросить вызов нашим представлениям о том, как планеты формируются и развиваются.
«Меркурий настолько отличается — у него огромное ядро, странная химия и магнитное поле, которое не совсем складывается, — сказала Поммье. — В каком-то смысле он похож на экзопланету у нас во дворе».
И с приближением BepiColombo учёные готовятся к новой волне открытий. Такие эксперименты, как у Поммье, будут иметь важное значение для интерпретации результатов миссии.
«Как только данные поступят, у нас будет с чем их сравнить, — сказала Поммье. — Новые полевые наблюдения будут определять новые эксперименты, создавая обратную связь между лабораторией и космосом».
Другими словами, работа только начинается.
Предоставлено Carnegie Institution for Science.