Modellstudie schlägt Diamantschicht an der Kern-Mantel-Grenze des Merkur vor

A Kürzlich durchgeführte Studie In Naturkommunikation von Wissenschaftlern aus China und Belgien lässt darauf schließen, dass die Kern-Mantel-Grenze (CMB) des Merkurs tief im Inneren des Planeten eine möglicherweise bis zu 18 Kilometer dicke Diamantschicht aufweist.

Merkur, der kleinste und innerste Planet unseres Sonnensystems, hat Wissenschaftlern mit seiner bemerkenswert dunklen Oberfläche und hohen Kerndichte schon lange Rätsel aufgegeben. Frühere Missionen, wie die NASA-Raumsonde MESSENGER, hatten gezeigt, dass Merkurs Oberfläche erhebliche Mengen Graphit, eine Form von Kohlenstoff, enthält.

Dies führte die Forscher zu der Annahme, dass es in der Frühgeschichte des Planeten einen kohlenstoffreichen Magmaozean gab. Phys.org sprach mit einem der Co-Autoren der Studie, Dr. Yanhao Lin vom Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research in Peking.

„Vor vielen Jahren bemerkte ich, dass der extrem hohe Kohlenstoffgehalt des Merkurs erhebliche Auswirkungen haben könnte. Dadurch wurde mir klar, dass in seinem Inneren wahrscheinlich etwas Besonderes passiert ist“, sagte Dr. Lin.

Was wir über Merkur wissen

Die detailliertesten Informationen über Merkur stammen von den NASA-Missionen MESSENGER und Mariner 10.

Frühere Beobachtungen der Raumsonde MESSENGER hatten ergeben, dass die Oberfläche des Merkurs aufgrund des weit verbreiteten Vorkommens von Graphit ungewöhnlich dunkel ist.

Der hohe Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche stammt vermutlich von einer alten Graphitschicht, die früher an die Oberfläche geschwemmt wurde. Dies deutet darauf hin, dass Merkur einst eine geschmolzene Oberflächenschicht oder einen Magmaozean mit einer beträchtlichen Menge Kohlenstoff hatte.

Mit der Zeit, als der Planet abkühlte und erstarrte, bildete dieser Kohlenstoff eine Graphitkruste auf der Oberfläche.

Die Forscher stellen jedoch die Annahme in Frage, dass Graphit die einzige stabile kohlenstoffhaltige Phase während der Kristallisation des Magmaozeans auf Merkurs war. Dabei kühlt der Mantel (die mittlere Schicht) des Planeten ab und erstarrt.

Frühere Annahmen über die Graphitkruste basierten auf Vorhersagen niedrigerer Temperaturen und Drücke in der CMB. Neuere Studien legen jedoch nahe, dass die CMB tiefer liegt als einst angenommen, was Forscher dazu veranlasst, die Graphitkruste neu zu bewerten.

Zusätzlich, eine weitere Studie hat auch die Anwesenheit von Schwefel im Eisenkern des Merkurs vermutet. Die Anwesenheit von Schwefel könnte sich auf die Kristallisation des Magmaozeans des Merkurs auswirken, was die ursprüngliche Behauptung, in dieser Phase sei nur Graphit vorhanden, in Frage stellt.

Die Bedingungen im Inneren des Merkurs nachbilden

Um die Bedingungen im Inneren des Merkur nachzubilden, nutzten die Forscher eine Kombination aus Hochdruck- und Temperaturexperimenten sowie thermodynamischen Modellen.

„Wir verwenden die Großvolumenpresse, um die Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen an der Kern-Mantel-Grenze des Merkurs zu simulieren und kombinieren sie mit den geophysikalischen Modellen und thermodynamischen Berechnungen“, erklärte Dr. Lin.

Sie verwendeten synthetisches Silikat als Ausgangsmaterial, um die Zusammensetzung des Merkurs Mantels nachzubilden. Dies ist eine häufig verwendete Methode zur Untersuchung des Inneren von Planeten.

Die Forscher erreichten Druckniveaus von bis zu 7 Gigapascal (GPa), ungefähr das Siebenfache des Drucks, der in den tiefsten Teilen des Marianengrabens herrscht.

Unter diesen Bedingungen untersuchte das Team, wie Mineralien (die im Inneren des Merkur vorkommen) schmelzen und Gleichgewichtsphasen erreichen, und charakterisierte diese Phasen, wobei es sich auf Graphit und Diamant konzentrierte.

Sie analysierten auch die chemische Zusammensetzung der Versuchsproben.

„Was wir im Labor tun, ist, die extremen Drücke und Temperaturen im Inneren eines Planeten nachzubilden. Das ist manchmal eine echte Herausforderung; man muss die Geräte an seine Grenzen bringen. Um diese Bedingungen zu simulieren, müssen die Versuchsaufbauten hochpräzise sein“, erklärte Dr. Lin.

Sie verwendeten außerdem geophysikalische Modelle, um die beobachteten Daten über das Innere des Merkur zu untersuchen.

„Geophysikalische Modelle basieren hauptsächlich auf den von Raumfahrzeugen gesammelten Daten und verraten uns die grundlegenden Strukturen des Inneren eines Planeten“, sagte Dr. Lin.

Sie verwendeten das Modell, um die Phasenstabilität vorherzusagen, CMB-Drücke und -Temperaturen zu berechnen und die Stabilität von Graphit und Diamant unter extremen Temperaturen und Drücken zu simulieren.

Diamanten entstehen unter Druck

Durch die Integration der experimentellen Daten in geophysikalische Simulationen konnten die Forscher den CMB-Druck des Merkurs auf etwa 5,575 GPa schätzen.

Bei einem Schwefelgehalt von etwa 11 % beobachteten die Forscher eine beträchtliche Temperaturänderung von 358 Kelvin im Magmaozean des Merkurs. Die Forscher vermuten, dass Graphit zwar wahrscheinlich die dominierende Kohlenstoffphase während der Kristallisation des Magmaozeans war, die Kristallisation des Kerns jedoch zur Bildung einer Diamantschicht an der CMB führte.

„Schwefel senkt den Liquidus des Magmaozeans des Merkurs. Wenn sich der Diamant im Magmaozean bildet, kann er auf den Boden sinken und sich in der CMB ablagern. Andererseits unterstützt Schwefel auch die Bildung einer Eisensulfidschicht in der CMB, die mit dem Kohlenstoffgehalt während der Planetendifferenzierung zusammenhängt“, erklärte Dr. Lin.

Unter planetarischer Differenzierung versteht man den Prozess der inneren Strukturierung eines Planeten, d. h. das Zentrum oder den Kern, zu dem die schwereren Mineralien absinken, und die Oberfläche oder Kruste, zu der die leichteren Mineralien aufsteigen.

Ihren Ergebnissen zufolge hat die Diamantschicht in der CMB eine geschätzte Dicke zwischen 15 und 18 Kilometern. Sie legen außerdem nahe, dass die gegenwärtige Temperatur in der CMB des Merkurs nahe dem Punkt liegt, an dem Graphit in Diamant übergehen kann, was die Temperatur in der CMB stabilisieren würde.

Kohlenstoffreiche Exoplanetensysteme

Diese Erkenntnisse haben unter anderem Auswirkungen auf das Magnetfeld des Merkurs, das im Verhältnis zu seiner Größe ungewöhnlich stark ist.

Dr. Lin erläuterte: „Kohlenstoff aus dem geschmolzenen Kern wird beim Abkühlen übersättigt, bildet Diamant und schwebt zur CMB. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Diamant hilft dabei, Wärme effektiv vom Kern zum Mantel zu übertragen, was zu Temperaturschichtung und Konvektionsänderungen im flüssigen äußeren Kern des Merkurs führt und somit die Entstehung seines Magnetfelds beeinflusst.“

Einfacher ausgedrückt: Die Wärmeübertragung vom Kern auf den Mantel beeinflusst die Temperaturgradienten und die Konvektion im flüssigen äußeren Kern des Merkurs, was wiederum die Erzeugung seines Magnetfelds beeinflusst.

Dr. Lin wies auch auf die entscheidende Rolle von Kohlenstoff bei der Bildung kohlenstoffreicher Exoplanetensysteme hin.

„Dies könnte auch für das Verständnis anderer terrestrischer Planeten relevant sein, insbesondere jener mit ähnlicher Größe und Zusammensetzung. Die Prozesse, die zur Bildung einer Diamantschicht auf Merkur führten, könnten auch auf anderen Planeten stattgefunden haben und möglicherweise ähnliche Signaturen hinterlassen haben“, schloss Dr. Lin.

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