Изучение Меркурия – научный подвиг зонда MESSENGER

Сотрудники Космического центра NASA им. Джонсона (Johnson Space Flight Center, Houston, Texas) смогли ответить на давно беспокоивший ученых вопрос, почему некоторые участки поверхности Меркурия выглядят «свежими», а другие, наоборот, производят впечатление весьма старых.

Команда исследователей из Отдела изучения астрономических данных (Astromaterials Research and Exploration Science) анализирует результаты, полученные космическим аппаратом MESSENGER (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, Ranging) в период его пребывания на околомеркурианской орбите в 2011-2015 гг. Этот аппарат совершил беспрецедентный научный подвиг, проработав в четыре раза дольше планового срока и передав на Землю огромный объем информации о самой маленькой планете Солнечной системы, в результате чего у специалистов сложилось впечатление о ней как о весьма интересном небесном теле, хранящем множество загадок.

Как формировалась планета

Один из регионов планеты, получивший название Северная Вулканическая равнина (Northern Volcanic Plains), весьма молод, и в то же время соседние районы выглядят заметно более старыми — они состоят из межкратерных участков, перемежающихся сильно кратерированными плато. До сих пор не существовало никаких разумных объяснений того, как могут «уживаться» между собой столь разнородные композиции. «На начальных этапах своего существования все планеты были сильно разогреты и почти полностью расплавлены, — прокомментировал исследования их главный автор докторант NASA Асмаа Буджибар (Asmaa Boujibar). — По мере охлаждения в них кристаллизуются разные минералы. В некоторых случаях они могут разделяться с образованием слоев внутри планеты».

Спутник Земли — Луна — является хорошим примером подобных процессов, о чем свидетельствует изучение образцов лунного вещества, собранных участниками пилотируемых миссий Apollo. Однако из того, что мы знаем о нашей планете, складывается впечатление, что подобного расслоения в земных недрах не существует — либо по причине «заторможенности» процессов сепарации минералов, либо вследствие мощной эндогенной активности, при которой движение тектонических плит полностью нивелирует результаты расслоения. Таким образом, исследовательской группе предстояло получить ответ на принципиальный вопрос о характере «интерьера» Меркурия: преобладает ли в нем химическое расслоение типа лунного, или же он гомогенный, как у Земли. Согласно уже имеющимся данным, меркурианская поверхность достаточно разнородна, поэтому мантия планеты должна быть слоистой и композиционно напоминать мантию Луны.

Исследования производились в лаборатории экспериментальной петрологии Центра им. Джонсона, где моделировались условия, царящие в планетных недрах, что позволило ученым изучать вещество при высоких давлениях и температурах. Меркурий является наименее «окисленной» планетой Солнечной системы — большая часть его железа не связана с кислородом, а присутствует либо в самородном виде, либо в форме сульфидов (соединенным с серой), либо в соединении с другими металлами.

Химический состав хондритов (богатых углеродом метеоритов) наиболее близок к солнечному. Именно они, по мнению ученых, должны быть основными «строительными блоками» планет. Энстатитовые хондриты, обогащенные металлами и наименее окисленные — самые вероятные кандидаты на роль «сырья» для формирования Меркурия. Исследователи изучили их поведение при высоких температурах и давлениях, характерных для глубоких внутренних слоев этой планеты, и неожиданно обнаружили, что слоистая мантия в ее случае совсем необязательна. При однородном «интерьере» большую разнородность расплавов на поверхности можно объяснить существованием различных процессов доставки их из слоев, гомогенизированных в большом диапазоне глубин (вплоть до металлического ядра). Посредством варьирования значений температуры и давления только на одном типе метеоритного вещества удалось воспроизвести практически все разнообразие поверхностных минералов.

В частности, выяснилось, что древние ландшафты Меркурия возникли при плавлении вещества глубоко в недрах планеты — на границе ядра и мантии. Более молодые, наоборот, синтезируются ближе к поверхности. При определенных условиях сера может растворяться в силикатной мантии, также влияя на точку ее плавления и состав расплава. Совокупным влиянием внешнего давления и содержания серы можно объяснить состав любого участка меркурианской поверхности.

Полученные данные имеют большое значение для понимания процессов, имевших место на ранних стадиях эволюции Солнечной системы. Если Меркурий действительно образовался из энстатитовых хондритов, это значит, что три остальных больших планеты земной группы (Венера, Земля и Марс) вместе с Луной тоже могли образоваться из подобного вещества. Из этого следует и более глубокий космогонический вывод: по-видимому, часть нашей планетной системы в пределах главного пояса астероидов сформировалась из одного и того же типа метеоритов, а вовсе не из разных материалов, как традиционно считалось.

Продолжая свои исследования, ученые собираются проследить цепочку взаимосвязанных процессов и узнать, гомогенизировалась ли мантия Меркурия благодаря конвекции в самом начале его истории, или же она никогда не была расслоенной. Возможно, удастся также ответить на вопросы, почему это небесное тело имеет наибольшее ядро в Солнечной системе (в процентах от массы планеты) и способно ли столкновение с крупным астероидом обнажить планетную мантию.

Меркурий тектонически активен в наши дни

На изображениях, полученных с борта космического аппарата MESSENGER, замечены ранее неизвестные малые поверхностные образования — скальные уступы, напоминающие лестничные ступеньки. Они настолько малы, что ученые относят их к разряду исключительно молодых структур, из чего следует, что Меркурий до сих пор испытывает деформации поверхности. Таким образом, он оказывается в числе объектов Солнечной системы, демонстрирующих признаки тектонической активности в современную эпоху. До сих пор в этой категории значилась единственная позиция — наша Земля. Выводы исследователей представлены в статье, опубликованной в журнале Nature Geoscience.

«Малый возраст мелких уступов означает, что Меркурий попадает в одну компанию тектонически активных планет с Землей, — сообщил ведущий автор исследования Том Уоттерс из вашингтонского Национального аэрокосмического музея (Tom Watters, Smithsonian National Air and Space Museum, Washington, D.C.). — Новые разломы, вероятно, формируются там и сегодня по мере охлаждения внутренних частей планеты».

Большие уступы на Меркурии были впервые замечены в ходе пролетов аппарата Mariner 10 в середине 1970-х годов. Их реальность уже в нашем веке подтвердил MESSENGER, обнаруживший признаки постепенного уменьшения размеров планеты: уступы образовались в результате остывания ее внутренних областей и их последующего сжатия, при котором в меркурианской коре постоянно возникают разломы, а вдоль них происходит формирование утесов длиной в сотни километров и высотой до полутора километров.

В последние 18 месяцев работы зонда MESSENGER высоту его перицентра орбиты существенно уменьшили, благодаря чему удалось получить снимки меркурианской поверхности с беспрецедентно высоким разрешением (до 5 м на пиксель). Именно на них были обнаружены малые уступы. Однако столь мелкие детали рельефа должны быть очень молодыми, чтобы уцелеть при постоянной метеоритной бомбардировке. В частности, на более «тектонически спокойной» и сравнимой с Меркурием по размерам Луне таких формаций, связанных с ее сжатием, найдено значительно меньше, хоть она и исследована космическими аппаратами намного подробнее.

Наличие активных разломов согласуется с догадками о том, что глобальное магнитное поле Меркурия существует уже миллиарды лет, а его ядро до сих пор постепенно охлаждается, частично пребывая в расплавленном состоянии. Вполне вероятно, что самая маленькая планета время от времени испытывает своеобразные «меркуротрясения» — это может быть однажды подтверждено сейсмометрами, которые доставят непосредственно на ее поверхность посадочные аппараты.

На маленькой планете найдена «Большая Долина»

Еще одним доказательством тектонической активности Меркурия может быть «Большая Долина», недавно обнаруженная в его южном полушарии. Полный вид этой формации был восстановлен по стереоизображениям, полученным космическим аппаратом MESSENGER, которые использовались для создания топографической карты ближайшей к Солнцу планеты.

Впадина с неровным дном протяженностью более тысячи километров, расположенная возле бассейна Рембрандт (одного из самых больших и молодых ударных кратеров Меркурия), имеет ширину около 400 км и глубину до 3 км. По длине она меньше известной марсианской Долины Маринера (Valles Marineris), но больше каньона реки Колорадо в Северной Америке; «Великую рифтовую долину» в Восточной Африке она также превосходит по всем показателям, кроме протяженности. В отличие от последней, меркурианская долина сформировалась не в ходе расталкивания литосферных плит вследствие тектонической активности, а в результате глобального сжатия планетной коры.

«Большая Долина» на Меркурии ограничена двумя масштабными палеосейсмодислокациями — уступами скального типа, напоминающими огромные лестничные ступени. Такие уступы формируются при охлаждении «внутренностей» планеты, приводящем к их сжатию, которое воздействует на кристаллические породы, вызывая их выталкивание вверх по линиям разлома. Однако, судя по всему, здесь имело место не только сжатие: приподнятое дно долины, тем не менее, находится ниже окружающей ее местности, что позволяет говорить об участии в процессе ее формирования дополнительного неизвестного фактора.

Наиболее вероятной причиной возникновения этой структуры считается потеря устойчивости внешней оболочки Меркурия в процессе его глобального сжатия. Охлаждение внутренних частей планеты вызывает сокращение и изгиб отдельных плит ее коры. Кристаллические породы выталкиваются наверх, а формирующееся дно долины проседает. По-видимому, такое «проседание» привело также к опусканию части кольцевого вала бассейна Рембрандт.

«Подобные примеры аналогичных процессов с участием океанических и континентальных плит существуют на Земле, но обнаруженная меркурианская «Большая Долина» может быть первым свидетельством их проявлений на другой планете», — подытожил результаты работы картографов уже упоминавшийся старший исследователь проекта MESSENGER Том Уоттерс, сотрудник Смитсоновского национального аэрокосмического музея.