当"信使号"探测器以撞击方式结束水星探测使命时,这个距离太阳最近的行星向人类抛出了两个未解之谜:表面异常丰富的石墨从何而来?为何其金属核心能占据行星半径的85%?这两个看似独立的问题,在十年后的今天被北京高压科学研究中心的团队串联成了一个惊人发现——水星内部可能存在着全球性的钻石海洋。
2015年传回的探测数据显示,水星表面布满反射率极低的黑色斑块,经光谱分析确认为石墨。这与传统行星形成理论产生剧烈冲突:碳元素本应在行星分异过程中下沉至核心,而非聚集在地表。当时科学界分为两派:一派认为是富含碳的小行星撞击残留,另一派则大胆推测存在碳饱和的岩浆海洋,但始终缺乏实验证据。
突破始于三年前的研究攻坚。研究团队发现,要模拟水星内部环境必须攻克两大难关:其地表硫含量高达地球的20倍,且传统实验方法无法保持硫元素在高压下的稳定性。经过六周、二十余次方案调整,研究人员通过缩小冷却管道直径0.5毫米,将冷却速率提升近十倍,终于制备出保留原始硫含量的玻璃态样品。
当将铁、硅、碳、硫按水星成分比例混合后,实验出现了戏剧性转折。在7GPa压力(相当于地球海平面7万倍)和1970℃高温下,碳元素突然消失大半。经过五次平行实验验证,比利时研究员奥利维尔·纳穆提出关键假设:碳可能转化成了其他形态。通过调整检测手段,团队在样品中发现了钻石的晶体结构。
进一步研究表明,当硫含量超过7%时,会促使石墨在高温高压下发生结构重组。碳原子从层状排列转变为四面体结构的sp³共价键,完成从石墨到钻石的相变。这个发现颠覆了传统认知:水星表面的石墨或许只是冰山一角,其内部可能蕴藏着更庞大的钻石储量。
计算机模拟重构了水星的演化史:46亿年前,这颗行星还是炽热的岩浆海洋,碳与硫均匀分布在熔融物质中。随着内部冷却,重金属下沉形成核心时,密度较小的钻石开始从液态铁核中析出,如同水中的冰块上浮,最终在核幔边界形成稳定圈层。模拟显示,这层钻石厚度在14.9至18.3公里之间,位于地表以下485公里处,且随着行星内部冷却持续增厚。
这个发现为解释水星异常强劲的磁场(达地球的1%)提供了新思路。研究人员提出两种可能机制:钻石层阻碍热量传递,维持外核液态状态;或是钻石析出过程引发的对流运动强化了磁场。但两种假设都需要更多数据验证,特别是与"信使号"2011年探测到的极地水冰信号是否存在关联,目前仍是未解之谜。
这项研究不仅改写了水星的演化史,更为太阳系外碳质行星的研究开辟了新方向。研究团队正结合欧洲航天局BepiColombo探测器的最新数据,试图精确测量钻石层厚度变化,这个隐藏在地表深处的钻石海洋,或许正是解开行星磁场生成机制的关键所在。