Eksperimenti s temperaturama do 2170 stupnjeva Celzijusa otkrili su kako je najbliži planet Suncu dobio svoju grafitnu koru – i zašto njegova jezgra još uvijek nije potpuno očvrsnula nakon 4,5 milijardi godina.
Dok se misija BepiColombo priprema za posljednju fazu putovanja prema Merkuru, istraživači sa sveučilišta u Liègeu i Leuvenu u laboratoriju su rekonstruirali rane faze evolucije planeta. Koristeći se eksperimentalnom petrologijom, reproducirali su uvjete koji su vladali unutar planeta prije više od četiri milijarde godina – tlakove, temperature i kemijske sastave koji su oblikovali njegovu strukturu.
Rezultati, objavljeni u tri znanstvena časopisa, razjašnjavaju ključno pitanje: kako se ugljik rasporedio između Merkurove jezgre, plašta, kore i prvobitne atmosfere. Timovi predvođeni Bernardom Charlierom i Olivierom Namurom simulirali su razdvajanje metalne jezgre od silikatne magme pri temperaturama od otprilike 1250 do 2170 stupnjeva Celzijusa.
Ugljik koji mijenja stranu
Ponašanje ugljika, pokazali su pokusi, ovisilo je o oksidacijskom stanju okoliša. Pod relativno oksidirajućim uvjetima ugljik preferira metal i ulazi u jezgru. No pod visoko reducirajućim uvjetima karakterističnim za Merkur, ostaje u silikatnoj magmi gdje naposljetku kristalizira kao grafit.
Upravo je ta razlika ključna za razumijevanje Merkurove povijesti. U ekstremno niskom kisiku, grafit je previše lagan da potone – pluta na površini oceana magme i nakuplja se u prvobitnu koru. Model predviđa grafitnu koru debljine otprilike 40 do 120 metara, što odgovara sloju bogatom ugljikom koji su potvrdila promatranja.
Ta je prvobitna kora, međutim, kasnije poremećena i redistribuirana udarima meteorita i vulkanizmom koji je izgradio mlađu koru planeta.
Zagonetka velike jezgre
Merkurova jezgra čini oko 70 posto mase planeta, što je neobično velik udio. Geodetski podaci sonde MESSENGER pokazuju da jezgra mora sadržavati nekoliko postotaka lakih elemenata da bi se objasnio njezin manjak gustoće. Ugljik se dugo smatrao kandidatom – no nova istraživanja pokazuju drukčije.
Pod uvjetima koji omogućuju nastanak grafitne kore, koncentracija ugljika u jezgri ostaje ispod 0,5 posto, što je daleko premalo da objasni uočeni manjak. Umjesto toga, istraživači zaključuju da su primarni laki elementi u jezgri silicij i, u manjoj mjeri, sumpor. Ti elementi imaju dodatno svojstvo: značajno snižavaju talište željeza, što objašnjava zašto je Merkurova jezgra ostala barem djelomično tekuća milijardama godina – što je nužno za održavanje magnetskog polja planeta.
Ovdje se nameće pitanje koje istraživači nisu postavili: ako je ugljik u Merkurovoj kori u tolikoj mjeri, koliko je naš planet rano u svojoj povijesti izgubio sličnih lakih elemenata koji su kasnije postali ključni za razvoj života?
Širi okvir za razumijevanje planeta
Povezujući Merkurovu ekstremnu kemijsku redukciju s njegovom grafitnom korom i strukturom jezgre, ovo istraživanje nudi koristan okvir za razumijevanje drugih visoko reduciranih tijela. To uključuje prvobitni, masivniji proto-Merkur, hipotetske “super-Merkure”, određene egzoplanete bogate ugljikom, pa čak i ranu Zemlju koja je u velikoj mjeri izgrađena od reduciranih materijala.
Buduća promatranja misije BepiColombo, koja bi trebala ući u orbitu oko Merkura, mogla bi potvrditi i kvantificirati grafit kao glavnu fazu na površini planeta. Do tada, laboratorijski eksperimenti ostaju jedini način da se zaviru u uvjete koji su vladali na planetu prije više od četiri milijarde godina – otkako nijedan uzorak s Merkura nije dopremljen na Zemlju, a nijedan meteorit nije pouzdano povezan s njim.
No ovdje se otvara šire pitanje: ako je Merkur u ranoj fazi svojeg razvoja zadržao toliko ugljika u kori, što se događalo s ugljikom i drugim lakim elementima tijekom formiranja Zemlje?
Je li i naša planeta u svojim najranijim fazama prošla kroz procese koji su određivali hoće li ti elementi završiti u jezgri, kori ili plaštu — i time utjecali na kemijsko okruženje iz kojeg će se mnogo kasnije razviti život?
Ta posljednja formulacija je, po meni, jača od izvornog „koliko je naš planet rano u svojoj povijesti izgubio sličnih lakih elemenata“, jer ne pretpostavlja unaprijed da je Zemlja doista izgubila određenu količinu tih elemenata niti da je njihov gubitak izravno povezan s nastankom života.