Днем температура на поверхности Меркурия может превышать 430 градусов Цельсия, а ночью опускаться до минус 180 градусов. Но на полюсах планеты существуют глубокие кратеры, куда солнечный свет никогда не попадает. Эти области называют постоянно затененными регионами.
С 2011 по 2015 год первую планету Солнечной системы изучал космический аппарат NASA MESSENGER. Он фотографировал поверхность Меркурия и проводил различные измерения. В частности, картографировал рельеф планеты, что позволило создать высокоточные топографические карты поверхности. Измерял элементный состав пород (концентрацию магния, алюминия, кремния, серы, калия и железа), доказав, что кора Меркурия бедна железом, но богата летучими элементами (например, серой). Исследовал состав экзосферы — крайне разреженной газовой оболочки, которая выполняет роль его атмосферы, и обнаружил в ней водород, гелий, кислород, натрий, калий и кальций.
Но главное открытие пришлось на 2012 год, когда MESSENGER нашел в затененных кратерах залежи водяного льда. Дальнейшие исследования показали, что местами его толщина может достигать десятков метров, а запасы составлять от 100 миллиардов до триллиона тонн. Правда, вопрос происхождения водяного льда на Меркурии долгие годы оставался открытым.
Предыдущие гипотезы гласили, что воду на Меркурий могли доставить кометоподобные тела диаметром порядка 17 километров. Ученые считали, что такие объекты врезались в Меркурий на средней скорости примерно 30 километров в секунду. Международная команда планетологов под руководством Парвати Прем (Parvathy Prem) из Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса в Мэриленде предложила новую модель происхождения водяного льда.
Прем и ее коллеги рассматривали сценарий, при котором значительная часть воды на Меркурии появилась после падения богатого льдом астероида или кометы. Ученые провели серию компьютерных симуляций, чтобы ответить на целый ряд вопросов: сколько воды мог принести космический объект на Меркурий; сколько ее испарилось сразу после столкновения; как водяной пар мог двигаться в разреженной атмосфере Меркурия; могла ли часть водяного пара добраться до полярных ловушек.
В качестве модели исследователи использовали удар, сопоставимый по масштабу с образованием кратера Хокусай — одного из самых молодых крупных кратеров Меркурия диаметром от 95 до 114 километров. По оценкам ученых, импактное событие могло произойти примерно 100 миллионов лет назад и выбросить в окружающее пространство огромное количество водяного пара и других летучих веществ. Такой кратер, вероятно, оставило тело диаметром от семи до 10 километров, которое врезалось в планету на скорости приблизительно 20 километров в секунду.
Во время столкновения космический объект практически полностью испарился. После удара вокруг Меркурия образовалось разреженное облако из водяного пара и продуктов испарения пород. Хотя такая «оболочка» оставалась очень тонкой, она кратковременно могла светиться за счет излучения нагретого газа и возбужденных атомов.
Жесткое солнечное излучение быстро разрушило большую часть новой «оболочки». Однако моделирование показало, что приблизительно 30 процентов водяного пара успело переместиться к полюсам. Молекулы воды осаждались в постоянно затененных областях, где при низких температурах вода замерзала.
Особое внимание исследователи уделили продолжительности процесса. Так, согласно моделированию, от формирования облака до начала переноса водяного пара к полюсам мог пройти один меркурианский солнечный день, который длится 176 земных суток.
Впрочем, планетологи рассчитывают получить еще больше данных о том единственном дне, который навсегда изменил одну из самых горячих планет Солнечной системы, благодаря запущенному в 2018-м зонду BepiColombo. Он выйдет на орбиту вокруг Меркурия в ноябре 2026 года и начнет детальное изучение планеты, в том числе исследует залежи водяного льда.
Научная работа опубликована в Journal of Geophysical Research: Planets.