Поверхня Меркурія містить значно менше діоксиду кремнію

Поверхня Меркурія виявилася хімічно іншою, ніж припускали раніше. Новий аналіз інфрачервоного випромінювання показує, що в його породах значно менше діоксиду кремнію (SiO₂), ніж очікували дослідники. За оцінками команди з Німеччини, вміст SiO₂ становить близько 37 % за масою, тобто до 25 % нижче за попередні оцінки. Про це повідомляє видання SciTechDaily.

Такі результати натякають, що вулканічні породи Меркурія утворилися з мантійного матеріалу, який плавився глибше й за вищих температур, ніж вважалося раніше. Це відкриває нове вікно в ранню вулканічну історію найменшої та найближчої до Сонця планети, яка, ймовірно, дуже швидко охолола й завершила активний вулканізм приблизно через мільярд років після формування.

Менше кремнезему, ніж на Землі та в попередніх моделях

Діоксид кремнію, сполука з одного атома кремнію та двох атомів кисню, дуже поширений на Землі: у чистому вигляді це пісок, а також ключовий компонент багатьох вулканічних порід — базальтів, андезитів, гранітів, де його вміст може сягати 75 %.

Меркурій, судячи з нових даних, відрізняється. Його поверхневі породи містять значно менше SiO₂. За словами Крістіана Ренгглі (Christian Renggli), провідного автора роботи та керівника дослідницької групи «Experimental Laboratory Magma Ocean» в Інституті Макса Планка з дослідження Сонячної системи, це свідчить про формування вулканічних порід із глибше розплавленої мантії, ніж припускали раніше.

Пояснення пов’язане з тим, як змінюється мантія молодої планети під час охолодження. Перші кристалічні породи, що утворюються з розплаву, забирають відносно мало діоксиду кремнію, тому залишковий магматичний океан спочатку бідний на SiO₂. З подальшим охолодженням кремнезем накопичується в розплаві, і пізніші лавові потоки можуть бути ним багатшими. Отже, відносно низький вміст SiO₂ на поверхні Меркурія вказує на дуже високі температури в його надрах у період активного вулканізму.

Дослідники розглядають і альтернативний сценарій: у минулому кора Меркурія могла містити більше діоксиду кремнію, але з часом планета поступово втрачала кисень, що змінило хімічний склад поверхні.

Як виміряти склад планети без зразків

Перевірити ці гіпотези складно, адже вчені не мають жодного зразка порід Меркурія. Жоден апарат не здійснив посадку на його поверхню, і жодні камені не були доставлені на Землю. Тому дослідникам доводиться відновлювати склад планети за даними дистанційних спостережень — зокрема за інфрачервоним випромінюванням, яке надходить від поверхні.

Щоб перетворити інфрачервоні вимірювання на кількісні оцінки вмісту SiO₂, потрібна надійна калібровка. Команда з Інституту Макса Планка та університетів Мюнстера й Геттінгена побудувала таку залежність у три етапи.

Спочатку в лабораторії вони виготовили крихітні скляні кульки діаметром близько 0,5 мм із точно заданою часткою діоксиду кремнію. Потім виміряли їхні інфрачервоні властивості. Як пояснює Іріс Вебер (Iris Weber) з Університету Мюнстера, ці кульки працюють як «калібрувальні гирі» для спектрометра: їхній склад відомий, тож за їхньою допомогою можна правильно інтерпретувати інфрачервоні сигнали.

Місяць як еталон перед стрибком до Меркурія

Далі метод перевірили на об’єкті, для якого є і дистанційні дані, і реальні зразки, — на Місяці. Орбітальний апарат NASA Lunar Reconnaissance Orbiter з 2009 року детально картує інфрачервоне випромінювання місячної поверхні. Використавши ці спостереження, команда створила першу повну карту вмісту діоксиду кремнію на Місяці.

Ключовим етапом стало порівняння цієї карти з місячними породами, доставленими на Землю місіями «Аполлон», «Луна» та «Чан’е». Добра узгодженість між дистанційними оцінками та аналізом зразків підтвердила коректність встановленої залежності між інфрачервоним сигналом і вмістом SiO₂. За словами Ренгглі, Місяць став своєрідним «контрольним каменем» і концептуальним кроком до застосування методу на Меркурії.

Лише після цього дослідники перейшли до інфрачервоних спостережень Меркурія, зокрема до вимірювань, отриманих за допомогою телескопа Bok в обсерваторії Стюард в Аризоні. Саме ці дані й привели до висновку про нижчий, ніж очікувалося, вміст діоксиду кремнію на поверхні планети.

Місія BepiColombo перевірить нові оцінки

Наступним кроком має стати незалежна перевірка результатів за допомогою європейсько-японської місії BepiColombo. Цей апарат складається з двох зондiв ESA та JAXA і має вийти на орбіту Меркурія в листопаді 2026 року, після відокремлення від транспортного модуля у вересні того ж року.

На борту BepiColombo працюватиме інструмент MERTIS, створений під керівництвом Німецького аерокосмічного центру (DLR) спільно з Інститутом планетології Університету Мюнстера. Він збиратиме інфрачервоні дані з набагато вищою просторовою роздільною здатністю та точністю, ніж наземні спостереження.

Автори дослідження зазначають, що їхня робота закладає основу для максимально точного визначення вмісту діоксиду кремнію на поверхні Меркурія за майбутніми вимірюваннями BepiColombo. Якщо нові дані підтвердять нинішні оцінки, це зміцнить уявлення про надзвичайно гаряче й глибоке плавлення мантії цієї планети в її ранній історії.