Skąd wziął się lód wodny na Merkurym?

Lód wodny na Merkurym może pochodzić z jednego potężnego zderzenia z kometą lub asteroidą – wynika z nowych symulacji naukowców. Badacze sugerują, że ogromne ilości wody mogły trafić do stale zacienionych regionów planety w ciągu zaledwie jednej doby słonecznej na Merkurym.

Skąd wziął się lód wodny na Merkurym?

Astronomowie od dawna zastanawiają się, skąd wziął się lód wodny ukryty w regionach polarnych Merkurego. W ramach nowego badania naukowcy z Johns Hopkins Applied Physics Laboratory odkryli, że złoża te mogły powstać w ciągu zaledwie jednej doby słonecznej na planecie (176 dni ziemskich) w wyniku kolizji z dużym ciałem niebieskim, takim jak kometa lub asteroida. Chociaż wcześniejsze badania również sugerowały podobny scenariusz, jest to pierwsza analiza, w ramach której w pełni zamodelowano tego rodzaju kolizję. Dodatkowo astronomowie wskazują, że obiekt mógł być większy i poruszać się wolniej, niż dotychczas zakładano. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Journal of Geophysical Research: Planets”.

Merkury znajduje się najbliżej Słońca, przez co panują na nim temperatury sięgające 430°C. Dodatkowo planeta nie posiada atmosfery, a zamiast niej ma niezwykle cienką, rozrzedzoną warstwę gazów, zwaną egzosferą. Jest ona nieustannie wywiewana w przestrzeń kosmiczną i uzupełniana przez wiatr słoneczny. Chociaż takie warunki powinny utrudniać utrzymanie wody, zarówno obserwacje prowadzone z Ziemi, jak i z orbity wykazały obecność refleksyjnych obszarów wskazujących na istnienie lodu wodnego ukrytego w stale zacienionych regionach (permanently shadowed regions – PSR) w pobliżu północnego i południowego bieguna Merkurego.

Naukowcy zaproponowali kilka potencjalnych źródeł, z których mógł pochodzić lód w tych obszarach. Niektóre hipotezy obejmowały stałe dostarczanie materiału przez mikrometeoryty, wiatr słoneczny lub pojedyncze zderzenie z bogatym w lotne substancje dużym obiektem. Część badań wykazała, że lód wydaje się stosunkowo czysty i „młody” – mający zaledwie kilkaset milionów lat. Według nowych badań sugeruje to szybkie, epizodyczne dostarczenie wody, a nie powolne jej gromadzenie.

Gigantyczna asteroida mogła dostarczyć wodę

Astronomowie wskazują, że obiekt, który utworzył krater Hokusai o średnicy 97 km na powierzchni Merkurego, może być źródłem lodu wodnego znajdującego się obecnie w stale zacienionych regionach. Badacze twierdzą, że w PSR mogą utrzymywać się temperatury wystarczająco niskie, aby lód mógł przetrwać nawet w trudnych warunkach panujących na Merkurym.

Aby określić szczegóły tego, w jaki sposób zderzenie, w wyniku którego powstał krater Hokusai (spowodowane przez kometę lub asteroidę o średnicy 17 km poruszającą się z prędkością 30 km/s), mogło doprowadzić do transportu i rozmieszczenia wody w stale zacienionych regionach Merkurego, astronomowie w ramach nowego badania przeprowadzili symulacje uwzględniające zaktualizowane mapy PSR oraz realistyczne modele temperatur powierzchni.

Naukowcy porównali dwa scenariusze: pierwszy, w którym woda została uwolniona do cienkiej egzosfery, oraz drugi, w którym dostała się ona do gęstej atmosfery powstałej w wyniku uderzenia. Pierwsze założenie wykorzystano do zaktualizowania starszych szacunków efektywności transportu wody w egzosferze Merkurego, podczas gdy drugie rzeczywiście symulowało zderzenie przy użyciu różnych parametrów dla obiektu, który utworzył krater Hokusai.

Symulacje wykazały, że zderzenie o skali mogącej doprowadzić do powstania krateru Hokusai mogło dostarczyć około 2,3 × 10¹³ kg lodu wodnego do polarnych, stale zacienionych regionów Merkurego, co odpowiada dolnemu zakresowi obecnych szacunków dotyczących ilości lodu w tych obszarach. Zdaniem badaczy w mniej niż godzinę po zderzeniu para wodna powstała w wyniku kolizji rozszerzyłaby się, całkowicie otaczając planetę i tworząc tymczasową, bogatą w wodę atmosferę. Jednak znaczna część tej otoczki zostałaby szybko rozbita przez oddziaływania z fotonami w procesie zwanym fotodysocjacją.

Pozostała część wody w symulacjach migrowała ku biegunom i do PSR. W przypadku wystarczająco dużego zderzenia proces zwany samoosłanianiem atmosferycznym (atmospheric self-shielding) znacząco zwiększał ilość wody docierającej do stale chłodnych obszarów, jednocześnie zmniejszając ilość traconej w wyniku fotodysocjacji w porównaniu z podstawowymi symulacjami. Mogło to również doprowadzić do bardziej równomiernego rozmieszczenia lodu między biegunami.

Naukowcy potrzebują więcej danych o Merkurym

Jak wskazują astronomowie, jeden aspekt symulacji wydał się problematyczny – pokłady lodu były zbyt cienkie i nie do końca odpowiadały rzeczywistym obserwacjom. Dane sugerują, że warstwa lodu ma grubość kilku metrów, podczas gdy symulacje wykazały jedynie kilkadziesiąt centymetrów, co sugeruje, że pewne parametry mogą wymagać korekty oraz uwzględnienia dodatkowych zmiennych, takich jak inne substancje lotne dostarczone przez uderzenie.

Naukowcy podkreślają, że potrzebne są dalsze symulacje obejmujące różne parametry kolizji, takie jak rozmiar, prędkość czy kąt uderzenia. Dodatkowych danych dotyczących grubości i rozmieszczenia lodu mogą dostarczyć obserwacje z nadchodzących misji, takich jak BepiColombo.

Emil Gołoś