Используя передовой метод обнаружения магнитных волн, новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, впервые идентифицировало литий в экзосфере Меркурия.
Экзосфера Меркурия
Экзосфера Меркурия — это хрупкая среда, где молекулы газа разрежены и редко взаимодействуют друг с другом. С 1970-х годов такие миссии, как космический аппарат «Маринер-10», а затем «Мессенджер», вращались вокруг Меркурия, собирая данные.
Благодаря информации, собранной в ходе миссий и с помощью наземных телескопов, учёные выяснили, что на Меркурии присутствуют такие элементы, как водород, калий, натрий и железо.
Обнаружение щелочных металлов, таких как калий и натрий, привело учёных к предположению, что на основе современного понимания формирования планет должны существовать и другие щелочные металлы, например литий.
Поиски лития
На протяжении многих лет большинство попыток не давали результатов, что указывало на возможное присутствие лития в экзосфере в крайне низких концентрациях.
Исследовательская группа под руководством Даниэля Шмида из Австрийской академии наук подошла к поиску с новой стороны. Вместо прямого поиска атомов лития они использовали измерения магнитного поля для выявления электромагнитной сигнатуры, называемой «ионоциклотронными волнами» (ICW), указывающей на присутствие лития.
«Во время нашего исследования данных о магнитном поле „Мессенджера“ мы обнаружили сигнатуры ионоциклотронных волн, которые можно было отнести к свеженаионизированному литию», — сказал Шмид Phys.org.
Результаты исследования
Ионоциклотронные волны образуются в результате множества 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 свеженаионизированные частицы подхватываются солнечным ветром — постоянным потоком заряженных частиц, исходящих от Солнца. Когда солнечный ветер «подхватывает» эти свежие ионы лития, это создаёт нестабильность в окружающей плазме. Разница в скорости между свеженаионизированными ионами лития и частицами солнечного ветра приводит к возникновению электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве.
Они создают характерный сигнал. Они колеблются на частоте циклотрона ионов лития, характерной частоте, полностью определяемой уникальным соотношением массы и заряда лития и локальной напряжённостью магнитного поля.
«Иононы создают волны на характерных частотах, что позволяет нам определить их присутствие по магнитным сигнатурам», — пояснил Шмид.
Исследовательская группа проанализировала четырёхлетние данные о магнитном поле, полученные с помощью «Мессенджера», и выявила 12 независимых событий, в которых наблюдались ICW. Каждое событие длилось всего несколько десятков минут и давало возможность наблюдать за выбросом лития в разрежённую атмосферу Меркурия.
Происхождение лития
Спорадическая и кратковременная природа этих обнаружений дала важные подсказки о происхождении лития. Исследователи исключили медленно действующие процессы, включая тепловой нагрев и постоянную бомбардировку солнечным ветром.
Вместо этого все признаки указывали на кратковременные взрывные события, такие как удары метеороидов. Когда метеороиды сталкиваются с поверхностью Меркурия со скоростью около 110 километров в секунду, они создают взрывные удары, которые испаряют как входящий камень, так и материал поверхности Меркурия.
Удары создают облака пара, нагретые до 2500–5000 кельвинов, чего достаточно, чтобы поднять атомы лития в экзосферу Меркурия.
«Обнаружение лития и его связь с ударными событиями убедительно подтверждают гипотезу», — сказал Шмид. «Это демонстрирует, что метеороиды не только доставляют новый материал, но и испаряют существующие поверхностные отложения, высвобождая летучие вещества в экзосферу и поддерживая динамический 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 эти удары могут испарить примерно в 150 раз больше материала поверхности, чем масса самого метеороида.
Эти выводы бросают вызов традиционным представлениям о том, как Меркурий приобрёл свой состав. Ранние модели предполагали, что близость Меркурия к Солнцу должна была лишить его летучих элементов во время формирования планеты, оставив после себя относительно бесплодный мир.
«Меркурий имеет необычно высокую массовую плотность с негабаритным железным ядром по сравнению с его каменистой мантией», — объяснил Шмид. «Одна из гипотез предполагает, что массивное столкновение в ранней стадии, в сочетании с близостью планеты к Солнцу, лишило её большей части мантии и её летучих веществ. Однако „Мессенджер“ обнаружил значительное количество летучих элементов, что противоречит этой идее».
Вместо этого исследование предлагает иную версию. Поверхность Меркурия непрерывно обогащалась на протяжении миллиардов лет за счёт бомбардировки метеороидами. Это открывает новый взгляд на то, как развиваются скалистые планеты под воздействием устойчивой бомбардировки.
Помимо применения к Меркурию, этот подход может помочь учёным исследовать тонкие атмосферы по всей Солнечной системе, особенно в местах, где сбор прямых данных затруднён.
«Они предполагают, что даже безвоздушные тела, такие как Луна, Марс и астероиды, могут приобретать летучие вещества после формирования за счёт внеземной доставки», — отметил Шмид. «На самом деле это уже было показано на Луне. Это имеет важное значение для понимания химии поверхности и долгосрочного космического выветривания во внутренней Солнечной системе».