Planetolodzy z Uniwersytetu w Liège i Katolickiego Uniwersytetu w Leuven (KU Leuven) w Belgii za pomocą techniki zwanej petrologią eksperymentalną odtworzyli w laboratorium proces formowania się jądra Merkurego, krystalizacji jego oceanu magmy oraz powstawania płaszcza.

Jak tłumaczą, planety skaliste, czyli Merkury, Wenus, Ziemia i Mars to wynik ponad czterech miliardów lat ewolucji, która rozpoczęła się od akrecji materii obecnej w dysku otaczającym młode Słońce. Na wczesnych etapach ewolucji wydzielające się ciepło doprowadziło do stopienia tych planet i powstania tzw. oceanów magmy. To kluczowy etap, który decyduje o rozmieszczeniu pierwiastków między metalicznym jądrem a płaszczem. W miarę krystalizacji oceanu magmy kształtuje się stały płaszcz, którego częściowe topnienie prowadzi później do powstawania magmy tworzącej skorupę. Na tym etapie może również powstać pierwotna atmosfera.

Jeśli jednak chodzi o badanie planety, to dane na jej temat pochodzą głównie z nielicznych wysłanych w jej kierunku sond.

Aby uzupełnić te informacje, badacze przeprowadzili serię laboratoryjnych eksperymentów w przy wysokim ciśnieniu i w temperaturze od ok. 1250 do 2170 st. C. Takie warunki odpowiadają tym, jakie panują głęboko we wnętrzach planet.

Badacze stwierdzili, że zachowanie węgla w dużym stopniu zależy od stopnia utlenienia środowiska.

„W warunkach względnie silnie utleniających węgiel ma mocno syderofilny charakter. Innymi słowy, preferuje metal, a więc trafia do jądra. Jednak w silnie redukujących warunkach charakterystycznych dla Merkurego staje się znacznie mniej syderofilny, czyli mniej przyciągany przez metal i dlatego pozostaje w magmie krzemianowej, gdzie ostatecznie krystalizuje w postaci grafitu” – tłumaczy Bernard Charlier z Uniwersytetu w Liège.

Badacz i jego koledzy odtworzyli sposób rozmieszczenia węgla między jądrem, płaszczem, skorupą i pierwotną atmosferą planety.

Porównując wyniki z grubością grafitowej skorupy, oszacowaną na podstawie danych z sondy MESSENGER, zdołali określić warunki panujące podczas formowania się planety i jak przekonują, bez wątpienia było to środowisko wyjątkowo ubogie w tlen.

„W tych ekstremalnych warunkach grafit jest zbyt lekki, aby opaść w głąb. Unosi się na powierzchni oceanu magmy i tam się gromadzi, tworząc pierwotną skorupę. Model wskazuje na grafitową skorupę o grubości około 40–120 metrów co jest w zgodzie z obecnością bogatej w węgiel warstwy, której zawartość na powierzchni Merkurego szacuje się na 1–3 proc. masy” – tłumaczy jeden z autorów badania, Olivier Namur z KU Leuven.

Wyniki zgadzają się z danymi z sondy MESSENGER, według których wyjątkowo duże jądro Merkurego, stanowiące około 70 proc. masy planety, musi zawierać kilka procent lekkich pierwiastków.

„Jako jednego z kandydatów wskazywano węgiel. Jednak badanie pokazuje, że w warunkach umożliwiających powstanie grafitowej skorupy zawartość węgla w jądrze pozostaje niewielka – poniżej 5 tys. mikrogramów na gram, czyli mniej niż 0,5 proc. Takie stężenie jest zdecydowanie zbyt małe, aby wyjaśnić obserwowany niedobór gęstości” – podkreśla prof. Namur.

Oznacza to, że to przede wszystkim krzem - i w mniejszym stopniu siarka - muszą stanowić lekkie pierwiastki obecne w jądrze Merkurego. Pierwiastki te mają jeszcze jedną właściwość – znacząco obniżają temperaturę topnienia żelaza, co może wyjaśniać, dlaczego jądro Merkurego pozostaje przynajmniej częściowo płynne od 4,5 mld lat, co jest koniecznym warunkiem do podtrzymywania pola magnetycznego planety.

Badanie pozwoli też zrozumieć ewolucję innych silnie zredukowanych ciał, w tym pierwotnego, masywniejszego proto-Merkurego, hipotetycznych „super-Merkurych”, niektórych egzoplanet bogatych w węgiel, a także wczesnej Ziemi, która w dużej mierze także powstała z materii o zredukowanym charakterze.

Naukowcy liczą też na nowe dane, które niedługo mogą stać się dostępne. „Przyszłe obserwacje, zwłaszcza prowadzone przez misje takie jak BepiColombo, mogą potwierdzić obecność grafitu jako jednego z głównych składników powierzchni Merkurego i pozwolić dokładniej określić jego ilość” – mówi Bernard Charlier.

Marek Matacz (PAP)

mat/ zan/