Wykorzystując nowoczesną metodę analizy fal elektromagnetycznych, naukowcy po raz pierwszy potwierdzili obecność litu w egzosferze Merkurego — najrzadszej i najbardziej zewnętrznej warstwie atmosfery tej planety.
Delikatne środowisko egzosfery
Egzosfera Merkurego to niezwykle rozrzedzone środowisko, w którym atomy i cząsteczki poruszają się niemal niezależnie, rzadko ze sobą zderzając. Od lat 70. XX wieku misje kosmiczne, takie jak Mariner 10, a następnie MESSENGER (NASA), badały tę wewnętrzną planetę Układu Słonecznego, dostarczając cennych danych o jej składzie chemicznym.
Dzięki tym badaniom potwierdzono obecność takich pierwiastków jak wodór (H), potas (K), sód (Na) i żelazo (Fe) w atmosferze i na powierzchni Merkurego. Odkrycie metali alkalicznych, takich jak sód i potas, zainspirowało badaczy do poszukiwania innych przedstawicieli tej grupy pierwiastków, w tym litu (Li).
Dlaczego lit?
Metale alkaliczne (pierwiastki grupy 1 układu okresowego) powstają w podobnych procesach astrofizycznych, a ich obecność na planetach skalistych może dostarczać informacji o mechanizmach ich formowania. Mimo to wcześniejsze próby wykrycia litu kończyły się niepowodzeniem, co sugerowało jego niezwykle niskie stężenie w egzosferze Merkurego.
Nowe podejście zaproponowane przez zespół naukowców kierowany przez dr. Daniela Schmida z Austriackiej Akademii Nauk przyniosło przełom. Badacze nie szukali bezpośrednio atomów litu, lecz analizowali dane z zakresu pola magnetycznego zarejestrowane przez satelitę MESSENGER, aby wykryć specyficzne sygnały fal elektromagnetycznych — tzw. fale cyklotronowe jonów odbiorczych (ion cyclotron waves, ICW), które mogą świadczyć o obecności świeżo zjonizowanego litu.
Schemat przedstawiający główne procesy fizyczne odpowiedzialne za powstawanie i utratę cząsteczek w egzosferze Merkurego. Cząstki litu i innych pierwiastków mogą być uwalniane z powierzchni planety w wyniku fotodezorbcji (oddziaływania promieniowania ultrafioletowego), zderzeń z cząstkami wiatru słonecznego (sputtering) oraz gwałtownych uderzeń meteoroidów. Po jonizacji – na przykład przez promieniowanie słoneczne – jony są przechwytywane przez wiatr słoneczny i mogą generować fale cyklotronowe, dzięki którym naukowcy pośrednio wykrywają obecność określonych pierwiastków w egzosferze. Źródło: Źródło: McClintock, W. E. et al. (2018). Observations of Mercury’s Exosphere: Composition and Structure. W: S. C. Solomon et al. (red.), Mercury: The View after MESSENGER. Cambridge University Press.
Jak wykrywa się lit bez litu?
Fale cyklotronowe powstają, gdy naładowane cząstki (jony) poruszają się w polu magnetycznym i zaczynają drgać z charakterystyczną częstotliwością — tzw. częstotliwością cyklotronową, zależną od stosunku masy do ładunku danego jonu oraz natężenia lokalnego pola magnetycznego. Każdy pierwiastek ma unikalny „elektromagnetyczny odcisk palca”, który pozwala na jego identyfikację.
Na Merkurego proces ten wygląda następująco: neutralne atomy litu wydostają się z powierzchni planety, np. w wyniku uderzenia meteoroidu, i unoszą się ku przestrzeni kosmicznej. Tam napotykają intensywne promieniowanie ultrafioletowe Słońca, które odrywa elektrony od atomów, tworząc jony litu (Li⁺). Te naładowane cząstki zostają „przechwycone” przez wiatr słoneczny – strumień naładowanych cząstek, płynący nieustannie ze Słońca.
Różnica prędkości pomiędzy jonami litu a cząstkami wiatru słonecznego powoduje lokalną niestabilność plazmy i generuje fale cyklotronowe. Ich wykrycie i identyfikacja pozwala zatem pośrednio wnioskować o obecności danego pierwiastka — w tym przypadku litu.
Zespół przeanalizował cztery lata danych zebranych przez sondę MESSENGER i zidentyfikował 12 przypadków pojawienia się fal ICW o parametrach zgodnych z jonami litu. Każde z tych zdarzeń trwało zaledwie kilkadziesiąt minut, ale wystarczyło, by uchwycić moment emisji litu do egzosfery.
Źródło litu: bombardowanie meteoroidami
Częstotliwość i krótkotrwałość zaobserwowanych sygnałów doprowadziły naukowców do wniosku, że lit dostaje się do egzosfery nie w wyniku powolnych procesów, takich jak nagrzewanie powierzchni czy oddziaływanie z wiatrem słonecznym, lecz w wyniku gwałtownych zjawisk — przede wszystkim uderzeń meteoroidów.
Kiedy meteoroid zderza się z powierzchnią Merkurego z prędkością dochodzącą do 110 km/s, wyzwala olbrzymie ilości energii, prowadząc do odparowania zarówno materiału meteorytowego, jak i powierzchniowego gruntu. W wyniku tego procesu tworzy się chmura pary o temperaturze 2500–5000 K, wystarczająco wysoka, by uwolnić atomy litu z regolitu (gruntu planetarnego) i wyrzucić je w przestrzeń kosmiczną.
Z obliczeń wynika, że meteoroidy odpowiedzialne za wykrycie litu miały promień od 13 do 21 cm i masę od 28 000 do 120 000 gramów. Co ciekawe, każdy z takich obiektów był w stanie odparować nawet 150 razy więcej materiału niż sam ważył.
Ilustracja mechanizmu generowania fal cyklotronowych jonów odbiorczych w środowisku kosmicznym Merkurego. Źródło: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61516-4.
Nowe spojrzenie na historię Merkurego
To odkrycie może wymusić rewizję dotychczasowych hipotez dotyczących składu i historii Merkurego. Tradycyjne modele zakładały, że z uwagi na bliskość Słońca, planeta ta podczas formowania utraciła większość pierwiastków lotnych — czyli takich, które łatwo parują w wysokich temperaturach.
Istniała również teoria, że Merkury stracił dużą część swojego płaszcza w wyniku gigantycznego zderzenia z innym ciałem niebieskim we wczesnym Układzie Słonecznym. Jednak dane z misji MESSENGER, które ujawniają obecność znacznych ilości pierwiastków lotnych (m.in. siarki, potasu i teraz litu), stoją w sprzeczności z tymi założeniami.
Aktualne badania wskazują, że przez miliardy lat powierzchnia Merkurego była nieustannie wzbogacana w pierwiastki lotne w wyniku ciągłego bombardowania meteorytowego. Takie zjawisko mogło również odgrywać kluczową rolę w kształtowaniu atmosfery i składu chemicznego innych planet skalistych w Układzie Słonecznym.
Szersze znaczenie odkrycia
Nowa metoda identyfikacji pierwiastków — poprzez analizę fal cyklotronowych — może być szeroko zastosowana do badania innych ciał niebieskich z bardzo rozrzedzoną atmosferą, gdzie bezpośrednie pomiary są trudne lub niemożliwe. Otwiera to nowe możliwości w badaniach nie tylko Merkurego, ale także Księżyca lub księżyców Jowisza i Saturna.
Więcej informacji: publikacja Daniel Schmid et al, Detection of lithium in the exosphere of Mercury, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61516-4.
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Zdjęcie Merkurego wykonane przez sondę MESSENGER. Źródło: NASA/JPL.
