建模研究表明水星核地幔边界处存在一层钻石层
中国和比利时科学家最近在《自然通讯》上发表的一项研究表明，水星的核幔边界（CMB）包含一个钻石层，厚度可能达 18 公里，位于水星内部深处。水星是太阳系中最小、最内层的行星，其表面异常黑暗，核心密度高，长期以来一直让科学家感到困惑。此前的探测任务，如美国宇航局的信使号航天器，已经发现水星表面含有大量石墨，这是一种碳。
这使得研究人员相信，这颗行星的早期历史涉及一个富含碳的岩浆海洋。Phys.org 采访了这项研究的合著者之一、来自北京高压科学与技术先进研究中心的林彦豪博士。
“很多年前，我就注意到水星极高的碳含量可能具有重大意义。这让我意识到水星内部可能发生了一些特殊的事情，”林博士说。
我们对水星的了解
有关水星的最详细信息来自美国宇航局的信使号和水手 10 号任务。
信使号航天器先前的观测表明，由于石墨的广泛存在，水星表面异常黑暗。
人们认为，水星表面的碳含量丰富，是早期浮在表面的古老石墨层所致。这表明，水星曾经有一个熔融的表面层或岩浆海洋，其中含有大量碳。
随着时间的推移，当行星冷却并凝固时，这些碳在表面形成了石墨壳。
然而，研究人员对石墨是水星岩浆海洋结晶过程中唯一稳定的含碳相的假设提出了质疑。此时，水星的地幔（中间层）冷却并凝固。
早期对石墨壳的假设依赖于宇宙微波背景较低的温度和压力预测。但新研究表明宇宙微波背景比以前想象的更深，这促使研究人员重新评估石墨壳。
此外，另一项研究也表明水星铁核中存在硫。硫的存在可能会对水星岩浆海洋结晶产生影响，从而质疑该阶段仅存在石墨的原始说法。
重现水星内部的情况
为了重现水星内部的情况，研究人员采用了高压高温实验和热力学建模相结合的方法。
“我们利用大容量压机模拟水星核幔边界的高温高压条件，并将其与地球物理模型和热力学计算相结合，”林博士解释说。
他们使用合成硅酸盐作为起始材料，模拟水星的地幔成分。这是研究行星内部的常用方法。
研究人员实现的压力水平高达 7 千兆帕斯卡 (GPa)，大约是马里亚纳海沟最深处压力的七倍。
在这些条件下，研究小组研究了矿物（在水星内部发现的矿物）如何熔化并达到平衡相，并对这些相进行了表征，重点关注石墨和钻石的相。
他们还分析了实验样品的化学成分。
“我们在实验室里所做的就是模拟行星内部的极端压力和温度。这有时是一件具有挑战性的事情；你需要推动设备来满足你的需求。实验装置必须高度精确才能模拟这些条件，”林博士解释说。
他们还利用地球物理模型来研究有关水星内部的观测数据。
“地球物理模型主要来自航天器收集的数据，它们告诉我们行星内部的基本结构，”林博士说。
他们使用该模型预测相稳定性，计算 CMB 压力和温度，并模拟极端温度和压力下的石墨和钻石稳定性。
钻石在压力下形成
通过将实验数据与地球物理模拟相结合，研究人员能够估算出水星的 CMB 压力约为 5.575 GPa。
当硫含量约为 11% 时，研究人员观察到水星岩浆海的温度变化高达 358 开尔文。研究人员认为，尽管石墨可能是岩浆海结晶过程中的主要碳相，但核心的结晶导致了 CMB 处金刚石层的形成。
“硫会降低水星岩浆海的液相线。如果钻石是在岩浆海中形成的，它就会沉到海底，沉积在宇宙微波背景上。另一方面，硫还有助于宇宙微波背景上铁硫化物的形成，这与行星分化过程中的碳含量有关。”林博士解释道。
行星分异是指行星内部结构化的过程，即较重的矿物下沉到中心或核心，较轻的矿物上升到表面或地壳。
根据他们的研究结果，宇宙微波背景中的钻石层厚度估计在 15 至 18 公里之间。他们还认为，水星宇宙微波背景中的当前温度已接近石墨可以转变为钻石的临界点，从而稳定了宇宙微波背景的温度。
富含碳的系外行星系统
这些发现的意义之一就是水星的磁场，相对于它的大小来说，它的磁场异常强。
林博士解释道：“熔融核心中的碳在冷却时变得过饱和，形成钻石并漂浮到宇宙微波背景上。钻石的高导热性有助于有效地将热量从核心传递到地幔，从而导致水星液态外核的温度分层和对流变化，从而影响其磁场的产生。”
简单来说，当热量从核心传递到地幔时，它会影响水星液态外核的温度梯度和对流，从而影响其磁场的产生。
林博士还指出碳在富含碳的系外行星系统形成过程中起着至关重要的作用。
“这也可能与了解其他类地行星有关，特别是那些具有相似大小和成分的行星。导致水星上形成钻石层的过程也可能发生在其他行星上，可能会留下类似的特征，”林博士总结道。
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