Merkurius är liten, snabbt och nära solen, gör den steniga världen utmanande att besöka. Endast en sond har någonsin kretsat runt planeten och samlat in tillräckligt med data för att berätta för forskare om kemin och landskapet på Merkurius yta. Att lära sig om vad som finns under ytan, dock, kräver noggrann uppskattning.

Efter att sondens uppdrag avslutades 2015, Planetforskare uppskattade att Merkurius skorpa var ungefär 22 miles tjock. En forskare från University of Arizona håller inte med.

Med hjälp av de senaste matematiska formlerna, Lunar and Planetary Laboratory associerad forskare Michael Sori uppskattar att Mercurial-skorpan är bara 16 miles tjock och är tätare än aluminium. Hans studie, "En tunn, Tät skorpa för kvicksilver, " kommer att publiceras 1 maj Earth and Planetary Science Letters och är för närvarande tillgänglig online.

Sori bestämde tätheten av Merkurius skorpa med hjälp av data som samlats in av Merkurius yta, Space Environment and Geochemistry Ranging (MESSENGER) rymdfarkoster. Han skapade sin uppskattning med hjälp av en formel utvecklad av Isamu Matsuyama, en professor i Lunar and Planetary Laboratory, och University of California Berkeley-forskaren Douglas Hemingway.

Soris uppskattning stöder teorin att Merkurius skorpa till stor del bildades genom vulkanisk aktivitet. Att förstå hur jordskorpan bildades kan göra det möjligt för forskare att förstå bildandet av hela den konstigt strukturerade planeten.

"Av de jordiska planeterna, Kvicksilver har den största kärnan i förhållande till sin storlek, sa Sori.

Merkurius kärna tros uppta 60 procent av planetens hela volym. För jämförelse, Jordens kärna tar upp ungefär 15 procent av dess volym. Varför är Merkurius kärna så stor?

"Kanske bildades den närmare en normal planet och kanske har mycket av skorpan och manteln tagits bort av gigantiska stötar, " Sa Sori. "En annan idé är att kanske, när du formar dig så nära solen, solvindarna blåser bort mycket av berget och man får väldigt tidigt en stor kärna. Det finns inte ett svar som alla håller med om än."

Soris arbete kan hjälpa forskare i rätt riktning. Redan, det har löst ett problem angående stenarna i Merkurius skorpa.

Merkurius mystiska klippor

När planeterna och jordens måne bildades, deras skorpa föddes ur deras mantlar, lagret mellan en planets kärna och skorpa som sipprar ut och flyter under loppet av miljoner år. Volymen på en planets skorpa representerar procentandelen mantel som förvandlades till stenar.

Innan Soris studie, uppskattningar av tjockleken på Merkurius skorpa fick forskare att tro att 11 procent av planetens ursprungliga mantel hade förvandlats till stenar i skorpan. För jordens måne – den himlakropp som är närmast Merkurius i storlek – är siffran lägre, nära 7 procent.

"De två kropparna bildade sina skorpor på väldigt olika sätt, så det var inte nödvändigtvis alarmerande att de inte hade exakt samma andel stenar i skorpan, sa Sori.

Månens skorpa bildades när mindre täta mineraler flöt upp till ytan av ett hav av flytande sten som blev kroppens mantel. På toppen av magmahavet, månens flytande mineraler kyldes och stelnade till en "flotationsskorpa". Eoner av vulkanutbrott täckte Merkurius yta och skapade dess "magmatiska skorpa".

Att förklara varför Merkurius skapade fler stenar än månen gjorde var ett vetenskapligt mysterium som ingen hade löst. Nu, ärendet kan stängas, eftersom Soris studie placerar andelen stenar i Merkurius skorpa till 7 procent. Merkurius är inte bättre än månen på att göra stenar.

Sori löste mysteriet genom att uppskatta skorpans djup och täthet, vilket innebar att han var tvungen att ta reda på vilken typ av isostasi som stödde Merkurius skorpa.

Bestämma densitet och djup

Den mest naturliga formen för en planetkropp att anta är en slät sfär, där alla punkter på ytan är lika långt från planetens kärna. Isostasy beskriver hur berg, dalar och kullar stöds och hindras från att plattas till släta slätter.

Det finns två huvudtyper isostasi:Pratt och Airy. Båda fokuserar på att balansera massorna av lika stora skivor av planeten. Om massan i en skiva är mycket större än massan i en skiva bredvid, planetens mantel kommer att sippra, flytta skorpan ovanpå den tills massan av varje skiva är lika stor.

Pratt isostasi säger att en planets skorpa varierar i densitet. En del av planeten som innehåller ett berg har samma massa som en del som innehåller platt land, eftersom skorpan som gör berget är mindre tät än skorpan som gör platt land. På alla punkter på planeten, botten av skorpan flyter jämnt på manteln.

Tills Sori avslutade sin studie, ingen vetenskapsman hade förklarat varför Pratt isostasi skulle eller inte skulle stödja Merkurius landskap. För att testa det, Sori behövde relatera planetens densitet till dess topografi. Forskare hade redan konstruerat en topografisk karta över Merkurius med hjälp av data från MESSENGER, men en karta över densitet fanns inte. Så Sori gjorde sin egen med hjälp av MESSENGERs data om de element som finns på Merkurius yta.

"Vi vet vilka mineraler som vanligtvis bildar stenar, och vi vet vilka grundämnen vart och ett av dessa mineraler innehåller. Vi kan intelligent dela upp alla kemiska förekomster i en lista över mineraler, ” Sori sade om processen som han använde för att bestämma platsen och förekomsten av mineraler på ytan. ”Vi känner tätheten av var och en av dessa mineraler. Vi lägger ihop dem alla, och vi får en karta över densitet."

Sori jämförde sedan sin densitetskarta med den topografiska kartan. Om Pratt isostasi kunde förklara Merkurius landskap, Sori förväntade sig att hitta högdensitetsmineraler i kratrar och lågdensitetsmineraler i berg; dock, han hittade inget sådant förhållande. På Merkurius, mineraler med hög och låg densitet finns i både berg och kratrar.

Med Pratt isostasi motbevisad, Sori ansåg luftig isostasi, som har använts för att göra uppskattningar av Merkurius skorpa tjocklek. Luftig isostasi säger att djupet på en planets skorpa varierar beroende på topografin.

"Om du ser ett berg på ytan, den kan stödjas av en rot under den, "Sori sa, liknar det vid ett isberg som flyter på vattnet.

Toppen av ett isberg stöds av en ismassa som sticker ut djupt under vattnet. Isberget innehåller samma massa som vattnet det tränger undan. Liknande, ett berg och dess rot kommer att innehålla samma massa som mantelmaterialet som förskjuts. I kratrar, skorpan är tunn, och manteln är närmare ytan. En kil av planeten som innehåller ett berg skulle ha samma massa som en kil som innehåller en krater.

"Dessa argument fungerar i två dimensioner, men när du tar hänsyn till sfärisk geometri, formeln fungerar inte riktigt, sa Sori.

Formeln som nyligen utvecklats av Matsuyama och Hemingway, fastän, fungerar för sfäriska kroppar som planeter. Istället för att balansera massorna av skorpan och manteln, formeln balanserar trycket som skorpan utövar på manteln, ger en mer exakt uppskattning av jordskorpans tjocklek.

Sori använde sina uppskattningar av skorpans densitet och Hemingways och Matsuyamas formel för att hitta skorpans tjocklek. Sori är säker på att hans uppskattning av Merkurius jordskorpa tjocklek på dess norra halvklot inte kommer att motbevisas, även om ny data om Merkurius samlas in. Han delar inte detta förtroende om Merkurius skorpdensitet.

MESSENGER collected much more data on the northern hemisphere than the southern, and Sori predicts the average density of the planet's surface will change when density data is collected over the entire planet. He already sees the need for a follow-up study in the future.

The next mission to Mercury will arrive at the planet in 2025. In the meantime, scientists will continue to use MESSENGER data and mathematical formulas to learn everything they can about the first rock from the sun.