Меркурий оказался ещё более необычным: его вулканические породы могли сформироваться глубже и при более высокой температуре

Меркурий — самая маленькая и ближайшая к Солнцу планета Солнечной системы — давно отличается от Земли необычным строением и историей. Несмотря на сравнительно небольшие размеры, он обладает огромным металлическим ядром, тонкой силикатной оболочкой и поверхностью, на которой сохранились многочисленные следы древней вулканической активности.

Теперь исследователи получили новые данные о составе поверхности Меркурия, которые позволяют по-другому взглянуть на происхождение его коры. Согласно новой оценке, доля диоксида кремния, или кремнезёма, на поверхности планеты составляет около 37% по массе. Это примерно на четверть меньше некоторых предыдущих оценок. Такое содержание SiO₂ указывает на то, что вулканические породы Меркурия могли образоваться из расплава мантии на большей глубине и при более высокой температуре, чем предполагалось ранее.

При этом новая работа не означает, что учёные непосредственно измерили состав меркурианских пород. Ни один аппарат пока не доставил образцы грунта с Меркурия на Землю, а посадочного аппарата на его поверхности также не было. Результат получен с помощью дистанционных инфракрасных наблюдений, для интерпретации которых исследователи сначала создали новую лабораторную калибровку, а затем проверили её на Луне, где состав поверхности можно сопоставить с реальными образцами пород.

Почему состав поверхности Меркурия рассказывает о его недрах

Кремнезём как след древнего магматического океана

Диоксид кремния — одно из важнейших соединений в земной коре и вулканических породах. На Земле SiO₂ входит в состав огромного количества минералов и горных пород, а его содержание может сильно различаться в зависимости от происхождения расплава и условий его формирования.

Для планетологии важен не только сам процент кремнезёма. Его количество может рассказать о том, как происходило плавление внутренних слоёв планеты и как затем формировалась кора.

Когда молодая каменистая планета находится в очень горячем состоянии, значительная часть её мантии может быть расплавлена. По мере охлаждения из расплава начинают кристаллизоваться первые минералы. Их состав отличается от состава исходного расплава, поэтому оставшаяся жидкая часть постепенно меняется.

В рассматриваемом случае важен тот факт, что ранние кристаллы извлекают из расплава сравнительно небольшое количество SiO₂. Поэтому по мере дальнейшего охлаждения его доля в оставшемся расплаве должна возрастать. Если вулканическая лава выходит на поверхность позже, она оказывается относительно более богатой кремнезёмом.

Отсюда следует важный вывод: сравнительно низкое содержание SiO₂ в древних вулканических породах Меркурия может указывать на то, что исходный расплав формировался и поднимался к поверхности в условиях, когда мантия оставалась очень горячей.

Почему более низкое содержание SiO₂ указывает на более глубокое плавление

Исследователи связывают новую оценку с процессами, происходившими в молодой мантии Меркурия. Если расплав образуется глубже и при более высокой температуре, его химический состав может отличаться от расплавов, возникающих при менее экстремальных условиях.

В частности, более горячая мантия могла дольше оставаться в состоянии, при котором происходило интенсивное плавление. В результате вулканические расплавы, которые позднее достигали поверхности, могли иметь сравнительно низкую концентрацию SiO₂.

Поэтому полученные примерно 37% кремнезёма рассматриваются как аргумент в пользу более глубокого и горячего происхождения вулканических пород Меркурия. Это именно геологическая интерпретация состава поверхности, а не прямое измерение температуры древней мантии.

Откуда взялась новая оценка состава Меркурия

Учёные сначала изготовили искусственные стеклянные образцы

Главная проблема заключалась в том, что инфракрасное излучение поверхности само по себе не сообщает исследователю готовое значение химического состава. Необходимо знать, каким образом определённая характеристика инфракрасного спектра связана с количеством конкретного вещества в породе.

Для этого исследователи начали работу не с Меркурия, а с лаборатории. Они изготовили небольшие стеклянные образцы с точно заданным содержанием SiO₂. Размер отдельных образцов составлял около половины миллиметра.

Затем для каждого состава измерили инфракрасные характеристики. Благодаря этому удалось установить количественную связь между особенностями инфракрасного излучения и содержанием диоксида кремния.

По сути, исследователи создали эталонную шкалу. Если для искусственного материала известны и содержание SiO₂, и его инфракрасная характеристика, то аналогичный сигнал от поверхности планеты можно использовать для оценки её состава.

Калибровка охватила очень широкий диапазон составов

Экспериментальная работа была проведена не с несколькими близкими по составу образцами. В опубликованной статье использовались синтетические стёкла с содержанием SiO₂ от 0,5 до 97,6% по массе.

Исследователи изучали так называемую характеристику Кристиансена — особенность спектра в среднем инфракрасном диапазоне, положение которой связано с составом материала. Новая калибровка позволила установить количественную зависимость между положением этой спектральной особенности и содержанием кремнезёма.

Это существенно отличается от простого сравнения спектров «на глаз». Чем точнее установлена связь между измеряемым сигналом и химическим составом материала, тем надёжнее можно интерпретировать дистанционные наблюдения поверхности планеты.

Но одной лабораторной калибровки недостаточно. Необходимо было проверить, работает ли метод на настоящей планетарной поверхности.

Луна стала проверкой нового метода

Почему для проверки выбрали именно наш спутник

У Меркурия есть принципиальная проблема: исследователи не располагают образцами его поверхности. У Луны ситуация совершенно иная.

Лунные породы были доставлены на Землю американскими и советскими автоматическими аппаратами, а также экспедициями программы Apollo. Позднее образцы были получены и в рамках китайской программы Chang’e. Поэтому состав отдельных районов Луны известен значительно лучше.

Кроме того, поверхность Луны подробно исследуется с орбиты. Космический аппарат Lunar Reconnaissance Orbiter с 2009 года получает данные о нашем спутнике, в том числе инфракрасные измерения поверхности с высоким пространственным разрешением.

Это позволило провести независимую проверку. Сначала новая лабораторная зависимость была применена к инфракрасным данным Луны, после чего полученные значения сравнили с информацией о реальных лунных образцах.

Получилась первая глобальная карта содержания SiO₂

Применение новой калибровки позволило создать глобальную карту содержания диоксида кремния на поверхности Луны. Полученные результаты воспроизвели известное различие между лунными морями и материковыми областями.

Особенно важным стало совпадение с независимыми данными, полученными из районов, где были собраны и доставлены на Землю лунные образцы. В областях с высоким содержанием кремнезёма метод также дал высокие значения. Например, для некоторых районов были получены оценки до 76% SiO₂.

Таким образом, Луна стала своеобразным испытательным полигоном для нового метода. Исследователи смогли проверить, способен ли инфракрасный сигнал действительно использоваться для количественной оценки содержания кремнезёма на поверхности планетарного тела.

Только после этой проверки метод применили к Меркурию.

Что показали инфракрасные данные Меркурия

Новая оценка заметно ниже прежних значений

Для Меркурия исследователи использовали уже существующие инфракрасные данные, в том числе наблюдения, полученные с Земли. Одним из использованных источников стали наблюдения с телескопа Bok в обсерватории Steward в Аризоне.

После применения новой калибровки содержание SiO₂ на поверхности Меркурия оценили примерно в 37% по массе.

Это существенно ниже некоторых прежних оценок. Согласно исследованию, новая величина примерно на 25% меньше ранее принятой оценки в рамках использовавшихся подходов. Само изменение важно не только как уточнение одной химической характеристики. Оно влияет на интерпретацию процессов, происходивших внутри планеты в первые этапы её истории.

Однако здесь необходимо учитывать ограничение результата. Для Меркурия пока нет глобальной карты SiO₂, сопоставимой с новой картой Луны. Оценка основана на имеющихся дистанционных данных и должна быть проверена более детальными наблюдениями непосредственно с орбиты планеты.

Почему результат оказался неожиданным

Состав поверхности Меркурия уже давно считался необычным. Планета отличается от Земли не только размерами и близостью к Солнцу, но и химическими особенностями своих пород.

Однако новая оценка содержания кремнезёма указывает на ещё более экстремальную историю формирования коры. Если полученное значение подтвердится, древние вулканические породы могли возникнуть из расплавов, сформировавшихся глубже в мантии и при более высоких температурах, чем предполагалось по прежним оценкам.

Это позволяет по-новому рассматривать раннюю эволюцию Меркурия. Планета могла пройти через очень горячий магматический этап, после которого её внутренние слои сравнительно быстро начали остывать и затвердевать.

Меркурий быстро потерял активный вулканизм

Почему современный Меркурий выглядит геологически спокойным

Сегодня на поверхности Меркурия не наблюдается активного вулканизма, сопоставимого с вулканической активностью Земли. Его поверхность покрыта древними ударными кратерами и обширными вулканическими равнинами, сформировавшимися в далёком прошлом.

Меркурий начал остывать сравнительно рано. Согласно принятой картине его геологической эволюции, активный вулканизм прекратился примерно через миллиард лет после формирования планеты, после чего поверхностная оболочка стала в основном твёрдой и непрерывной.

Земля развивалась иначе. Её внутреннее тепло сохраняется до сих пор, продолжаются вулканические процессы, а движение литосферных плит постоянно меняет поверхность. На Меркурии подобной современной тектонической активности не наблюдается.

Это различие особенно важно для понимания древней коры. На Земле значительная часть очень древней поверхности была переработана последующими геологическими процессами. На Меркурии древние структуры сохранились гораздо лучше, поэтому его поверхность служит своеобразной летописью ранней истории планеты.

Древняя кора хранит информацию о недрах

Поверхность Меркурия сегодня твёрдая, но её химический состав сформировался в эпоху, когда внутренние слои планеты были значительно горячее.

Вулканические породы, которые застыли миллиарды лет назад, сохранили химические особенности исходных расплавов. Поэтому их состав позволяет косвенно судить о температуре и глубине процессов, происходивших в мантии.

В этом и состоит ценность нового результата. Исследователи не наблюдают древний магматический океан непосредственно, но пытаются восстановить условия его существования по химическому «отпечатку», сохранившемуся на поверхности.

У Меркурия могла быть очень горячая ранняя история

Молодая планета была совсем не похожа на современную

В первые этапы существования каменистой планеты её внутреннее состояние сильно отличается от современного. Планета образуется из относительно горячего вещества, сталкивающиеся тела выделяют дополнительную энергию, а радиоактивный распад также вносит вклад во внутреннее тепло.

Для Меркурия особенно важен его ранний магматический этап. Если большая часть мантии находилась в расплавленном состоянии, по мере охлаждения происходила кристаллизация минералов и изменение состава оставшегося расплава.

Новая оценка содержания SiO₂ согласуется с представлением о том, что вулканические расплавы Меркурия могли образовываться в очень горячих и глубоких областях его мантии. Это помогает объяснить, почему современная кора имеет именно такой химический состав.

Но есть и альтернативное объяснение

Исследователи не исключают другую возможность. Меркурий мог первоначально иметь больше SiO₂, чем показывает сегодняшняя поверхность, но позднее часть кислорода могла быть потеряна.

Такой вариант также способен повлиять на современное соотношение элементов и соединений в поверхностных породах. Поэтому низкое содержание кремнезёма само по себе не позволяет однозначно доказать только один сценарий формирования Меркурия.

Именно поэтому будущие измерения имеют большое значение. Более подробные данные позволят проверить, насколько хорошо новая интерпретация описывает разные регионы планеты и согласуется с другими известными характеристиками её поверхности и недр.

Почему BepiColombo особенно важен для проверки результата

Космический аппарат сможет изучать Меркурий значительно подробнее

Следующий важный этап связан с миссией BepiColombo — совместным проектом Европейского космического агентства ESA и Японского агентства аэрокосмических исследований JAXA.

Миссия состоит из двух научных аппаратов, которые после завершения перелётного этапа должны работать на орбите Меркурия. На борту находится прибор MERTIS — Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer, предназначенный в том числе для изучения поверхности планеты в инфракрасном диапазоне.

На момент публикации исследования BepiColombo ещё не начал полноценную работу на орбите Меркурия. По плану, в ноябре 2026 года миссия должна выйти на орбиту вокруг планеты, а отделение аппаратов от транспортного модуля запланировано на 3 сентября 2026 года.

Для новой оценки SiO₂ это особенно важно, поскольку MERTIS сможет получить гораздо более детальные инфракрасные данные, чем использовавшиеся в текущем исследовании.

MERTIS позволит проверить состав поверхности по регионам

Нынешняя оценка примерно в 37% представляет собой результат интерпретации существующих дистанционных данных. Она не является подробной картой каждого участка поверхности Меркурия.

MERTIS должен существенно расширить объём информации. Полученные им спектральные данные позволят исследовать поверхность с более высоким пространственным и спектральным разрешением и проверить, действительно ли низкое содержание SiO₂ характерно для Меркурия в целом или же текущая оценка отражает особенности ограниченного набора наблюдений.

Это принципиальное различие. Если будущие измерения подтвердят низкое содержание кремнезёма в различных регионах планеты, аргумент в пользу необычно горячего и глубокого происхождения вулканических расплавов станет значительно сильнее. Если же разные области окажутся существенно различными по составу, историю формирования коры придётся описывать более сложной моделью.

Что новое исследование говорит о происхождении коры Меркурия

Кора планеты не является независимым слоем, возникшим без связи с её внутренним строением. Она формируется из вещества мантии, которое в определённых условиях плавится, поднимается к поверхности и затем застывает.

Поэтому химический состав древних вулканических пород является одним из способов восстановить историю внутренней части планеты. В случае Меркурия новая оценка содержания SiO₂ указывает на возможность того, что его вулканические породы сформировались из более глубоких и более горячих расплавов.

Это согласуется с представлением о раннем Меркурии как о чрезвычайно горячем теле, которое сравнительно быстро прошло через этап интенсивного магматизма. Однако окончательная реконструкция требует сопоставления химического состава с другими геофизическими и геологическими характеристиками планеты.

Особенно важно, что исследование не утверждает, будто учёные уже получили окончательную модель происхождения Меркурия. Новая оценка скорее меняет исходные условия, с которыми должны работать модели его ранней эволюции.

Луна помогла подготовить новый способ исследования планет

Одна из наиболее интересных сторон работы заключается в самой методике. Исследователям не понадобилось доставлять образец с Меркурия, чтобы получить новую оценку его состава.

Сначала они создали материалы с известным химическим составом в лаборатории. Затем измерили их инфракрасные характеристики. После этого метод проверили на Луне, где существование доставленных образцов позволило сравнить дистанционные оценки с реальным составом пород. И только после успешной проверки калибровку применили к Меркурию.

Такой подход особенно важен для планетологии. Для большинства планет и спутников Солнечной системы получить образец поверхности непосредственно в лаборатории невозможно. Поэтому дистанционные спектральные методы становятся одним из главных способов изучения их минералогии.

Чем точнее удаётся связать спектральные признаки с конкретными химическими компонентами, тем больше информации можно получить без посадки аппарата на поверхность.

В случае Меркурия эта задача особенно сложна из-за его близости к Солнцу и тяжёлых условий для космических аппаратов. Поэтому сочетание лабораторных экспериментов, лунных данных и будущих измерений BepiColombo может существенно расширить знания о самой внутренней планете Солнечной системы.

Что пока остаётся неизвестным

Новая оценка не отвечает на все вопросы о происхождении Меркурия. Пока остаётся неизвестным, насколько однородно распределён SiO₂ по поверхности и насколько сильно его содержание отличается между различными геологическими областями.

Также необходимо определить, насколько значительным был вклад других процессов в изменение состава поверхности. Среди рассматриваемых возможностей остаётся потеря кислорода после формирования коры. Поэтому нельзя сводить всю историю Меркурия только к одному сценарию более глубокого и горячего плавления мантии.

Наконец, требуется получить более точные данные непосредственно с орбиты Меркурия. Именно поэтому результаты новой работы особенно актуальны накануне полноценного этапа миссии BepiColombo.

Если будущие измерения MERTIS подтвердят низкое содержание диоксида кремния и покажут, что оно характерно для значительной части поверхности, это станет важным аргументом в пользу чрезвычайно горячей и глубокой вулканической истории планеты. Если же данные выявят существенную региональную неоднородность, они помогут установить, насколько разнообразными были источники древних меркурианских лав.

Таким образом, новое исследование не просто уточняет один показатель химического состава. Оно показывает, как по небольшим особенностям инфракрасного излучения поверхности можно восстановить процессы, происходившие глубоко внутри планеты миллиарды лет назад. Меркурий давно считается одним из наиболее необычных каменистых миров Солнечной системы, а новые данные указывают, что его ранняя история могла быть ещё более экстремальной, чем считалось прежде.

Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org