Меркурий постепенно уменьшается по мере того, как остывают его недра. Это известно уже давно: на поверхности планеты сохранились многочисленные уступы, гряды и другие формы рельефа, возникшие из-за сжатия коры. Однако новая оценка показывает, что масштаб этого процесса мог быть недооценён.
Исследование, основанное на сопоставлении глобальной карты тектонических структур с данными о шероховатости поверхности Меркурия, указывает, что радиальное сжатие планеты могло быть недооценено примерно на 10–30%. В пересчёте на изменение диаметра это означает, что с момента формирования Меркурий мог уменьшиться почти на 19 километров, а верхняя граница оценки достигает примерно 23 километров.
Причина прежней недооценки оказалась связана не с ошибкой в фундаментальном понимании того, почему Меркурий сжимается. Проблема гораздо прозаичнее: значительная часть следов древнего сжатия могла быть уничтожена, погребена или замаскирована последствиями многочисленных ударов астероидов и других процессов на поверхности.
Это важно не только для определения нынешнего размера планеты. Масштаб глобального сжатия является одним из способов понять, сколько тепла Меркурий потерял за свою историю, как охлаждалось его металлическое ядро и какие свойства имеет его внутреннее строение. Новые наблюдения миссии BepiColombo должны позволить проверить эту картину значительно подробнее.
Почему Меркурий вообще уменьшается
Меркурий сформировался около 4,5 миллиарда лет назад в ранней Солнечной системе. В то время планеты земной группы проходили через бурный этап роста: многочисленные планетезимали и более крупные тела сталкивались друг с другом, а энергия этих столкновений превращалась в тепло.
Внутри молодого Меркурия накопилось большое количество тепловой энергии. По мере развития планеты она постепенно уходила в космос. Остывание приводило к уменьшению объёма внутренних областей, а это, в свою очередь, заставляло всю планету сжиматься.
Процесс можно представить на бытовом уровне как охлаждение нагретого материала, который при снижении температуры занимает немного меньший объём. Для планеты эффект значительно сложнее, поскольку речь идёт о её каменной мантии, коре и огромном металлическом ядре, которые взаимодействуют друг с другом на протяжении миллиардов лет.
В случае Меркурия это сжатие оставило хорошо заметный геологический след.
Как остывание недр меняет поверхность
Когда внутренние области планеты уменьшаются в объёме, внешняя твёрдая оболочка должна приспосабливаться к уменьшению размеров внутренней части. На поверхности возникают деформации, связанные со сжатием коры.
На Меркурии одним из наиболее характерных проявлений этого процесса стали так называемые лобатные уступы — длинные крутые склоны, образованные надвиговыми разломами. В некоторых случаях они протягиваются на сотни километров.
Также встречаются складчатые гряды и другие структуры укорочения. Их совокупность представляет собой своеобразную геологическую запись того, как планета уменьшалась.
Именно по этим структурам учёные пытаются определить, насколько сильно изменился радиус Меркурия за геологическую историю.
Почему прежние оценки могли оказаться слишком маленькими
На первый взгляд задача кажется простой: достаточно нанести на карту все уступы и гряды, измерить их деформацию и восстановить величину сжатия.
Но поверхность Меркурия далеко не идеально сохраняет собственную геологическую историю.
Планета миллиарды лет подвергалась ударам астероидов и других тел. Они создавали кратеры, выбрасывали огромное количество материала и распространяли его вокруг мест столкновений. Новые ударные структуры накладывались на старые.
В результате часть более древнего рельефа могла просто перестать быть различимой.
Кратеры работают как природный «ластик»
При крупном столкновении материал из кратера выбрасывается на окружающую поверхность и формирует слой выбросов. Он способен покрыть уже существовавшие геологические структуры.
Если древний уступ оказался под таким материалом, его высота и форма могут уменьшиться настолько, что на снимках он перестанет выглядеть как характерная тектоническая структура.
Особенно сильно проблема проявляется в районах с высокой поверхностной шероховатостью. Там множество кратеров, вторичных кратеров и обломочного материала создают собственный сложный рельеф. На его фоне относительно невысокая древняя гряда может оказаться практически неразличимой.
Поэтому отсутствие обнаруженного уступа в определённой области не обязательно означает, что сжатие там никогда не происходило.
Это ключевой момент нового исследования: геологическая карта Меркурия может быть неполной не потому, что тектонические процессы действительно распределены по планете неравномерно, а потому, что в некоторых районах их следы сложнее обнаружить.
Шероховатость поверхности помогает найти пропавшие структуры
Исследователи использовали шероховатость поверхности как косвенный показатель того, насколько сильно участок изменён ударными процессами.
Для этого была построена глобальная карта шероховатости, основанная на данных о рельефе Меркурия. Особое внимание уделялось масштабу около 10 километров, поскольку на таких расстояниях ударные процессы заметно влияют на характер поверхности.
Затем распределение шероховатости сравнили с глобальным каталогом тектонических структур, связанных со сжатием планеты.
Результат оказался показательным: участки с высокой шероховатостью систематически содержат меньше обнаруженных структур укорочения.
Причём речь идёт не просто о визуальном впечатлении. Статистическая связь сохраняется на пространственных масштабах вплоть до примерно 150 километров. Это означает, что зависимость между шероховатостью и количеством выявленных тектонических структур прослеживается не только вокруг отдельных кратеров, но и на крупных региональных масштабах.
Что именно обнаружили исследователи
Главным результатом стало выявление устойчивой обратной зависимости между шероховатостью поверхности и распределением структур, связанных с глобальным сжатием.
Там, где поверхность относительно гладкая, уступы и гряды обнаруживаются чаще. По мере увеличения шероховатости количество распознаваемых структур уменьшается.
Для такого результата возможны несколько объяснений. Наиболее очевидное состоит в том, что материал, выброшенный при ударах, перекрывает более древние структуры. Второй вариант связан с самим процессом обнаружения: на сильно пересечённой поверхности небольшие или сильно разрушенные уступы труднее распознать. Есть и более сложная возможность — свойства сильно раздробленной коры могли влиять на то, как именно в ней формировались крупные разломы.
Авторы не считают, что имеющиеся данные позволяют окончательно выбрать один из этих механизмов. Однако независимо от конкретной причины сама зависимость между шероховатостью и наблюдаемым количеством структур означает, что простой подсчёт видимых уступов может занижать масштаб глобального сжатия.
Пример крупных ударных бассейнов
Хорошо заметный пример связан с большими и относительно свежими ударными бассейнами.
Вокруг них поверхность покрыта большим количеством выбросов и вторичных ударных структур. Такие области имеют повышенную шероховатость и одновременно характеризуются дефицитом обнаруженных структур укорочения.
В отдельных случаях высота некоторых длинных уступов уменьшается по мере приближения к областям, покрытым выбросами. Такая картина согласуется с предположением, что более молодой ударный материал частично погребает более древний тектонический рельеф.
При этом не все особенности распределения структур можно объяснить одним только покрытием выбросами. Поэтому вопрос о том, насколько именно ударный материал отвечает за потерю геологической информации, остаётся открытым.
Насколько сильно Меркурий мог сжаться
Чтобы оценить масштаб недостающей информации, исследователи использовали зависимость между поверхностной шероховатостью и уже измеренной деформацией.
Без такой поправки один из использованных вариантов расчёта давал радиальное сжатие примерно на 8,3 километра, если учитывать все картированные структуры укорочения.
После введения поправки, учитывающей влияние шероховатости, значение увеличилось примерно до 11,6 километра. То есть оценка радиального сжатия выросла примерно на 3,3 километра.
Для другого подхода, учитывающего только основные структуры и исключающего часть небольших объектов, эффект оказался меньше — недооценка составила около 0,6 километра. Это соответствует увеличению глобальной оценки примерно на 10–30%.
Именно поэтому нельзя сводить результат исследования к одной точной цифре. Полученная величина зависит от того, какие структуры считать проявлением глобального сжатия, а какие могут быть результатом локальных тектонических процессов.
Авторы рассматривают свою поправку как нижнюю границу возможного эффекта. По их оценке, тектоническая запись указывает, что радиальное сжатие Меркурия составляет более 6,9 километра и при определённых предположениях может превышать 11,6 километра.
В пересчёте на диаметр это соответствует увеличению прежних оценок примерно на 10–30%. Для полной истории планеты верхняя оценка изменения диаметра может достигать около 23 километров.
Важно различать эти величины. Радиальное сжатие и изменение диаметра — не одно и то же. Кроме того, 23 километра — это верхняя оценка общего изменения диаметра, а не утверждение, что Меркурий гарантированно потерял именно столько.
Что сжатие говорит о недрах Меркурия
Размер глобального сжатия связан с тем, сколько тепла планета потеряла за время своего существования.
Чем сильнее изменился объём Меркурия вследствие охлаждения, тем больше информации это даёт о его тепловой эволюции. Поэтому геологические структуры на поверхности можно использовать как косвенный источник сведений о процессах, происходящих глубоко под ней.
Особенно важна эта информация для понимания металлического ядра Меркурия.
Планета отличается необычно большим металлическим ядром относительно своих размеров. Его состав и тепловая история влияют на то, как быстро Меркурий охлаждается, как затвердевает внутренняя часть ядра и как меняется его внутреннее строение.
Более сильное сжатие ограничивает модели внутреннего строения
Увеличенная оценка сжатия не означает автоматически, что ядро Меркурия имеет какой-то один конкретный состав.
Она задаёт ограничения для моделей.
Например, более сильное сжатие может согласовываться с более крупным металлическим ядром, с меньшей долей лёгких элементов, таких как кремний, смешанных с металлом ядра, или с более высокой начальной температурой планеты. Это возможные объяснения, а не независимые наблюдательные факты.
Тепловая эволюция также зависит от содержания радиоактивных и других теплогенерирующих элементов, толщины реголита и состава ядра. Поэтому одна только величина сжатия не позволяет восстановить внутреннюю структуру Меркурия однозначно.
Зато она помогает исключать некоторые сочетания параметров и делает модели тепловой истории более строгими.
Меркурий не просто «становится меньше»
Фраза о том, что Меркурий уменьшается, может создать неправильное впечатление о скорости процесса.
Речь идёт о геологическом изменении, накопившемся за миллиарды лет. Меркурий не сжимается заметным для человека образом и не превращается в стремительно уменьшающийся шар.
Основная часть наблюдаемого изменения связана с охлаждением планеты на протяжении её длительной истории.
При этом современные данные показывают, что геологическая история Меркурия сложнее простой картины равномерного охлаждения. Распределение тектонических структур по поверхности неоднородно, а некоторые молодые формы рельефа указывают на то, что процессы деформации продолжались значительно позже формирования древнейших участков коры.
Поэтому исследование сжатия важно не только для ответа на вопрос «насколько уменьшился Меркурий», но и для восстановления последовательности событий, происходивших с его недрами и корой.
Почему нельзя просто измерить размер Меркурия сейчас и сравнить его с прошлым
У Меркурия нет прямой «фотографии» его поверхности в момент формирования планеты. Поэтому узнать первоначальный радиус простым сравнением невозможно.
Вместо этого учёные используют геологические следы сжатия.
Если определённая часть коры была сжата, её деформация сохранилась в форме разломов и уступов. Суммируя эти деформации по всей планете, можно оценить, насколько изменились размеры Меркурия.
Проблема состоит в том, что этот метод зависит от полноты геологической карты.
Если часть уступов не сохранилась или не была обнаружена, итоговая оценка автоматически становится слишком маленькой.
Именно этот источник систематической ошибки и исследовали теперь более подробно.
Что показали данные MESSENGER
Основой новой оценки стали данные, полученные в ходе миссии NASA MESSENGER.
Аппарат стал первым космическим аппаратом, вышедшим на орбиту Меркурия, и обеспечил глобальные наблюдения поверхности планеты. Эти данные позволили создать подробные карты рельефа и геологических структур, но их разрешение всё же ограничивало возможности поиска самых небольших объектов.
В частности, существующий набор топографических данных не позволяет одинаково хорошо исследовать все участки поверхности на мелких масштабах. Поэтому крупные и относительно хорошо сохранившиеся структуры видны значительно надёжнее, чем небольшие или сильно разрушенные формы.
Новая работа использовала глобальную цифровую модель рельефа вместе с данными лазерного высотомера MESSENGER. Для анализа шероховатости была выбрана консервативная пространственная шкала около 10 километров.
Это позволило перейти от простого вопроса «где находятся уступы?» к более содержательному вопросу: «в каких условиях поверхности эти уступы вообще можно надёжно увидеть?».
Такой подход и привёл к выявлению систематического смещения.
Почему BepiColombo особенно важна для проверки результата
В ближайшее время ситуация с изучением Меркурия должна существенно измениться благодаря миссии BepiColombo — совместному проекту Европейского космического агентства и Японского агентства аэрокосмических исследований.
Миссия была запущена в 2018 году и провела длительный перелёт к внутренней части Солнечной системы. После завершения необходимых манёвров научные аппараты миссии смогут проводить значительно более подробные исследования Меркурия.
Для вопроса о глобальном сжатии особенно важен лазерный альтиметр BELA — прибор, предназначенный для измерения рельефа поверхности.
Новая карта рельефа позволит искать более мелкие структуры
Одно из ключевых преимуществ BELA заключается в возможности исследовать шероховатость на существенно меньших пространственных масштабах. В перспективе измерения могут охватывать масштабы порядка 100 метров, что намного детальнее используемого в новой работе 10-километрового масштаба.
Это важно сразу по нескольким причинам.
Во-первых, более подробная топографическая карта позволит находить небольшие уступы и гряды, которые ранее могли оставаться незамеченными.
Во-вторых, новые данные помогут определить, действительно ли повышенная шероховатость подавляет наблюдаемую тектоническую запись.
В-третьих, измерения формы лазерных импульсов могут дать дополнительную информацию о свойствах поверхности, что поможет лучше разобраться в её геологическом состоянии.
Поэтому BepiColombo сможет не просто увеличить количество изображений Меркурия. Она даст данные другого качества, необходимые для проверки самой методики оценки глобального сжатия.
Может ли Меркурий оказаться ещё более сжатым
Такая возможность не исключается.
Авторы новой работы подчёркивают, что их поправка должна рассматриваться как нижняя граница эффекта. Даже после её применения остаются источники неопределённости.
Например, часть деформации литосферы может накапливаться без формирования крупных разломов, которые можно непосредственно увидеть на поверхности. Кроме того, более поздний вулканизм способен перекрывать древние структуры, а ограниченное разрешение цифровых моделей рельефа влияет на оценку высоты и размеров тектонических форм.
Поэтому итоговая величина глобального сжатия может измениться после получения новых данных.
При этом это не означает, что будущие измерения обязательно покажут ещё большее сжатие. Новые наблюдения могут как подтвердить нынешнюю оценку, так и скорректировать её в сторону меньших значений.
Главная задача BepiColombo — предоставить более полную и точную геологическую картину, на которой подобные расчёты можно будет выполнять с меньшим количеством неопределённостей.
Урок не только для Меркурия
Метод, использованный для Меркурия, может оказаться полезным и при изучении других каменистых тел.
Исследователи отдельно отмечают Луну, поверхность которой в среднем даже более шероховатая, чем поверхность Меркурия в некоторых сравниваемых областях. Для Луны ранее получались относительно небольшие оценки глобального сжатия, однако часть соответствующих тектонических структур также может быть скрыта особенностями рельефа.
Если часть древних структур действительно теряется из-за шероховатости, аналогичная систематическая ошибка может существовать и для других небесных тел.
Марс также может быть подвержен подобному эффекту, хотя там ситуация сложнее. В отличие от Меркурия, на марсианской поверхности активно работали процессы, связанные с водой, ветром и переносом осадков. Они способны не только скрывать древний рельеф, но и сглаживать его, создавая другую связь между возрастом поверхности, шероховатостью и сохранностью тектонических структур.
Таким образом, вопрос о «пропавших» геологических структурах может оказаться важным для реконструкции эволюции сразу нескольких планет и спутников.
Что новое исследование говорит о прошлом Меркурия
Меркурий часто воспринимается как небольшая, покрытая кратерами и практически неизменная планета. На самом деле его поверхность хранит сложную историю внутренних процессов.
Кратеры показывают, насколько интенсивно планета подвергалась столкновениям. Лавовые равнины свидетельствуют о древней вулканической активности. Лобатные уступы и гряды показывают, что внутреннее охлаждение приводило к глобальному сжатию. Магнитное поле Меркурия, в свою очередь, указывает на продолжающуюся активность части металлического ядра.
Теперь к этой картине добавляется ещё один важный элемент: геологическая запись сжатия может быть неполной.
То, что раньше выглядело как неоднородное распределение тектонических структур, частично может объясняться тем, насколько хорошо эти структуры сохранились и насколько легко их обнаружить на современной поверхности.
Это меняет не сам факт охлаждения и сжатия Меркурия, а оценку его масштаба.
Больше сжатие — больше информации о внутреннем устройстве планеты
Главный результат исследования заключается не в том, что Меркурий «внезапно начал уменьшаться быстрее». Его охлаждение и связанное с ним сжатие продолжаются как часть длительной геологической эволюции, а новое исследование пересматривает оценку уже накопившегося изменения размеров.
Обнаруженная зависимость между шероховатостью и распределением тектонических структур показывает, что часть следов глобального сжатия могла быть скрыта последующими изменениями поверхности. После учёта этого эффекта оценка радиального сжатия увеличивается примерно на 10–30%, а возможное изменение диаметра за историю планеты достигает порядка 23 километров.
Эта величина пока не является окончательным измерением. Она зависит от того, какие структуры действительно связаны с глобальным охлаждением, насколько полно сохранилась тектоническая запись и насколько корректно выбран метод её восстановления.
Именно поэтому следующие наблюдения Меркурия имеют особое значение. Более подробные данные BepiColombo позволят проверить небольшие уступы, гряды и другие формы рельефа, уточнить карту шероховатости и определить, сколько геологической информации действительно было потеряно из-за древних ударов.
В итоге изучение внешней поверхности может дать сведения о том, что происходило на десятки и сотни километров ниже неё. Чем точнее будет определено, насколько Меркурий сжался за 4,5 миллиарда лет, тем жёстче будут ограничения на модели его ядра, мантии и тепловой истории. И в этом смысле многочисленные «морщины» на поверхности самой маленькой планеты Солнечной системы оказываются не просто особенностями ландшафта, а одним из ключей к пониманию того, как она устроена внутри.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
