Una capa de diamante de 18 km de espesor podría existir en el límite entre el núcleo y el manto de Mercurio
Los científicos han modelado las capas de Mercurio y han encontrado que el límite entre el núcleo y el manto incluiría una capa de diamante, potencialmente de hasta 18 kilómetros de espesor, en las profundidades del interior del planeta.
Un estudio reciente publicado en Nature Communications realizado por científicos de China y Bélgica sugiere que el límite entre el núcleo y el manto (CMB, por sus siglas en inglés) de Mercurio incluye una capa de diamante, potencialmente de hasta 18 kilómetros de espesor, en las profundidades del interior del planeta.
El sorprendente Mercurio: un planeta rico en carbono
Mercurio, el planeta más pequeño e interior de nuestro sistema solar, ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo por su superficie notablemente oscura y la alta densidad de su núcleo. Misiones anteriores, como la sonda espacial MESSENGER de la NASA, habían revelado que la superficie de Mercurio contiene cantidades significativas de grafito, una forma de carbono. Esto llevó a los investigadores a creer que en la historia temprana del planeta había un océano de magma rico en carbono.
Phys.org habló con uno de los coautores del estudio, el Dr. Yanhao Lin, del Centro de Investigación Avanzada en Ciencia y Tecnología de Alta Presión de Pekín.
"Hace muchos años, me di cuenta de que el contenido extremadamente alto de carbono de Mercurio podría tener implicaciones importantes. Me hizo darme cuenta de que probablemente algo especial sucedía en su interior", dijo el Dr. Lin.
La información más detallada sobre Mercurio proviene de las misiones MESSENGER y Mariner 10 de la NASA.
Observaciones anteriores realizadas por la nave espacial MESSENGER habían revelado que la superficie de Mercurio es inusualmente oscura debido a la presencia generalizada de grafito.
Esto sugiere que Mercurio alguna vez tuvo una capa superficial fundida o un océano de magma que contenía una cantidad significativa de carbono.
Con el tiempo, a medida que el planeta se enfrió y se solidificó, este carbono formó una corteza de grafito en la superficie.
Sin embargo, los investigadores cuestionan la suposición de que el grafito era la única fase estable que contenía carbono durante la cristalización del océano de magma de Mercurio, que es cuando el manto del planeta (capa intermedia) se enfría y se solidifica.
Las primeras suposiciones sobre la corteza de grafito se basaban en predicciones de temperaturas y presiones más bajas en el CMB. Pero estudios más recientes proponen que el CMB es más profundo de lo que se creía, lo que llevó a los investigadores a reevaluar la corteza de grafito.
Además, otro estudio también ha sugerido la presencia de azufre en el núcleo de hierro de Mercurio. La presencia de azufre puede tener un efecto en la cristalización del océano de magma de Mercurio, lo que pone en tela de juicio la afirmación original sobre la presencia únicamente de grafito durante esa fase.
Modelando las condiciones del interior de Mercurio
Para recrear las condiciones del interior de Mercurio, los investigadores utilizaron una combinación de experimentos de alta presión y temperatura y modelos termodinámicos.
"Utilizamos la prensa de gran volumen para imitar las condiciones de alta temperatura y alta presión del límite entre el núcleo y el manto de Mercurio y las combinamos con los modelos geofísicos y los cálculos termodinámicos", explicó el Dr. Lin.
Utilizaron silicato sintético como material de partida para imitar la composición del manto de Mercurio. Este es un método de uso común para estudiar el interior de los planetas.
Los investigadores alcanzaron niveles de presión de hasta 7 Giga Pascales (GPa), aproximadamente siete veces la presión encontrada en las partes más profundas de la Fosa de las Marianas.
En estas condiciones, el equipo estudió cómo los minerales (los que se encuentran en el interior de Mercurio) se funden y alcanzan fases de equilibrio y caracterizó estas fases, centrándose en las del grafito y el diamante.
También utilizaron modelos geofísicos para estudiar los datos observados sobre el interior de Mercurio.
"Los modelos geofísicos provienen principalmente de los datos recopilados por naves espaciales y nos indican las estructuras fundamentales del interior de un planeta", explicó el Dr. Lin.
Capa de diamantes se forman bajo altas presiones
Al integrar los datos experimentales con simulaciones geofísicas, los investigadores pudieron estimar la presión del CMB de Mercurio en alrededor de 5,575 GPa.
Con un contenido de azufre de aproximadamente el 11 %, los investigadores observaron un cambio considerable de temperatura de 358 Kelvin en el océano de magma de Mercurio. Los investigadores proponen que, aunque el grafito probablemente fue la fase de carbono dominante durante la cristalización del océano de magma, la cristalización del núcleo condujo a la formación de una capa de diamante en el CMB.
"El azufre reduce el líquido del océano de magma de Mercurio. Si el diamante se forma en el océano de magma, puede hundirse hasta el fondo y depositarse en el CMB. Por otro lado, el azufre también ayuda a la formación de una capa de sulfuro de hierro en el CMB, que está relacionada con el contenido de carbono durante la diferenciación planetaria", explicó el Dr. Lin.
La diferenciación planetaria se refiere al proceso mediante el cual un planeta se estructura internamente, es decir, el centro o núcleo, al que se hunden los minerales más pesados, y la superficie o corteza, a la que suben los minerales más ligeros.
Según sus hallazgos, la capa de diamante en el CMB tiene un espesor estimado de entre 15 y 18 kilómetros. También sugieren que la temperatura actual en el CMB de Mercurio está cerca del punto en el que el grafito puede transformarse en diamante, lo que estabiliza la temperatura en el CMB.
Sistemas exoplanetarios ricos en carbono
Una de las implicaciones de estos hallazgos es para el campo magnético de Mercurio, que es anómalamente fuerte para su tamaño.
El Dr. Lin explicó: "El carbono del núcleo fundido se sobresatura a medida que se enfría, formando diamantes y flotando hacia el CMB. La alta conductividad térmica del diamante ayuda a transferir el calor de manera efectiva desde el núcleo hasta el manto, lo que provoca estratificación de la temperatura y cambios de convección en el núcleo externo líquido de Mercurio, lo que afecta la generación de su campo magnético”.
En términos más simples, a medida que el calor se transfiere del núcleo al manto, influye en los gradientes de temperatura y la convección en el núcleo externo líquido de Mercurio, lo que afecta la generación de su campo magnético.
El Dr. Lin también destacó el papel crucial que desempeña el carbono en la formación de sistemas exoplanetarios ricos en carbono.
"También podría ser relevante para comprender otros planetas terrestres, especialmente aquellos con tamaños y composiciones similares. Los procesos que llevaron a la formación de una capa de diamante en Mercurio también podrían haber ocurrido en otros planetas, dejando potencialmente huellas similares", concluyó el Dr. Lin.
Referencia
Yongjiang Xu et al, A diamond-bearing core-mantle bound on Mercury, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49305-x .