NASA宇宙飞船发现水星拥有一层厚达10英里的钻石层
文摘
2024-07-27 07:21
美国
https://www.space.com/mercury-diamond-layer-10-miles-thick-nasa-messenger(左) 使用MESSENGER主要任务期间的彩色基础图像拍摄的水星彩色视图 (右) 如果剥去外层以暴露其10英里厚的钻石层，水星可能的样子（图片来源：Robert Lea（使用Canva创建）/NASA/约翰霍普金斯大学应用物理实验室/华盛顿卡内基研究所）NASA的MESSENGER宇宙飞船数据表明，水星的地壳下可能有一层厚达10英里的钻石地幔。水星的独特特征，如其黑暗的表面和密集的核心，使科学家们提出了一个富含碳的过去，以及一个创造出石墨斑块的岩浆海洋。高压实验和计算机建模支持钻石地幔理论，这可能解释了水星快速冷却和短暂的火山时期。BepiColombo任务可能会完善这些发现。太阳系最小的行星可能隐藏着一个巨大的秘密。利用NASA的MESSENGER宇宙飞船的数据，科学家们确定水星的地壳下可能存在一层厚达10英里的钻石地幔，这是距离太阳最近的行星。水星长期以来一直让科学家们感到困惑，因为它具有其他太阳系行星所不具备的许多特质。这些包括它非常黑暗的表面、非常密集的核心，以及水星火山时期的过早结束。这些谜团中还包括水星表面的石墨斑块，石墨是太阳系内最内层行星表面的一种（或“同素异形体”）碳。这些斑块使科学家们提出，在水星的早期历史中，这个小行星拥有一个富含碳的岩浆海洋。这个海洋会浮到表面，形成石墨斑块和水星表面的深色调。同样的过程也会导致地表下形成一个富含碳的地幔。这些发现背后的团队认为，这个地幔不是之前怀疑的石墨烯，而是由另一种更珍贵的碳同素异形体组成：钻石。“我们计算出，根据对地幔-核心边界压力的新估计，并知道水星是一个富含碳的行星，我们认为在地幔和核心之间的界面上形成的碳质矿物是钻石而不是石墨，”团队成员、鲁汶大学副教授Olivier Namur告诉Space.com。“我们的研究使用了NASA MESSENGER宇宙飞船收集的地球物理数据。”MESSENGER（水星表面、空间环境、地球化学和测距）于2004年8月发射，并成为第一个绕水星轨道飞行的宇宙飞船。这项任务于2015年结束，绘制了整个小行星的地图，发现了极地阴影中丰富的水冰，并收集了关于水星地质和磁场的关键数据。NASA的MESSENGER在完成对水星的首次飞越任务后离开该行星时拍摄的水星高分辨率影像拼接图。（图片来源：NASA/约翰霍普金斯大学应用物理实验室/华盛顿卡内基研究所）这项新研究还与几年前科学家重新评估水星质量分布时的一个重大惊喜有关，他们发现这个小行星的地幔比之前认为的要厚。“我们立即认为这对碳的分布（在系统中的元素或同素异形体之间的分布）在水星上，钻石与石墨之间，必定有巨大的影响，”Namur说。艺术家印象中的NASA MESSENGER宇宙飞船在水星轨道上的画面。MESSENGER于2011年3月到达太阳系最内层的行星。（图片来源：NASA/约翰霍普金斯大学应用物理实验室/华盛顿卡内基研究所）团队在地球上使用大容量压力机来复制水星内部存在的压力和温度。他们施加了超过七千兆帕斯卡的巨大压力，对代表水星地幔中发现的材料的合成硅酸盐进行了处理，达到了高达2177摄氏度的温度。这使他们能够研究像水星地幔早期存在的那些矿物在这些条件下是如何变化的。他们还使用计算机建模来评估有关水星内部的数据，这给了他们关于水星钻石地幔如何形成的线索。“我们认为钻石可能是通过两个过程形成的。首先是岩浆海洋的结晶，但这个过程可能只有助于在核心/地幔界面形成一个非常薄的钻石层，”Namur解释说。“其次，也是最重要的，是水星金属核心的结晶。”Namur说，大约45亿年前水星形成时，行星的核心是完全液态的，随着时间的推移逐渐结晶。目前尚不清楚内核中形成的固态相的确切性质，但团队认为这些相必须是低碳或“碳贫乏”的。“液态核心在结晶之前含有一些碳；因此，结晶导致残留液体中碳的富集，”他继续说。“在某个点上，溶解达到饱和，意味着液体不能溶解更多的碳，钻石就形成了。”钻石是一种密度大的矿物，但不如金属密，这意味着在这个过程中，它会浮到核心的顶部，在水星的核心和地幔的边界处停止。这将导致形成一层大约0.62英里（1公里）厚的钻石层，然后随着时间的推移继续增长。随着MESSENGER宇宙飞船接近水星进行历史性的首次飞越，宇宙飞船获取了这张行星阳光照射部分的拼接图。（图片来源：NASA/JHUAPL/CIW）这一发现凸显了距离太阳最近的行星诞生与太阳系其他岩石行星——金星、地球和火星的创造之间的差异。“水星形成得更接近太阳，很可能来自一个富含碳的尘埃云。因此，水星含有较少的氧气和更多的碳，这导致了钻石层的形成，”Namur补充说。“然而，地球的核心也含有碳，地球核心中的钻石形成已经被各种研究人员提出。”研究人员希望这一发现能帮助揭示围绕太阳系最小行星的其他一些谜团的线索，包括为什么它的火山阶段在大约35亿年前就戛然而止。“我对水星演化的一个主要问题是，为什么主要的火山活动阶段只持续了几亿年，比其他岩石行星短得多。这必须意味着这颗行星冷却得非常快，”Namur说。“这部分与行星的小尺寸有关，但我们现在正在与物理学家合作，试图理解钻石层是否可能有助于非常快速的热量移除，因此非常早地终止了主要的火山活动。”Namur说，团队的下一步将是调查钻石层在地幔/核心边界的热效应。这项研究可能会得到MESSENGER之后任务的数据支持。“我们也急切地等待BepiColombo的首批数据，希望在2026年能够完善我们对水星内部结构和演化的理解，”Namur总结道。https://www.space.com/author/robert-leaRobert Lea是英国的一名科学记者，他的文章发表在《物理世界》、《新科学家》、《天文杂志》、《全方位太空》、《新闻周刊》和ZME Science上。他还为Elsevier和《欧洲物理杂志》撰写关于科学传播的文章。罗布拥有英国开放大学物理学和天文学学士学位。在Twitter上关注他 @sciencef1rst。
