Марс впервые получил компьютерную томографию благодаря анализу сейсмических волн, уловленных спускаемым аппаратом НАСА InSight. Диагноз: Ядро Красной планеты, по крайней мере, частично жидкое, как предполагали некоторые предыдущие исследования, и несколько больше, чем ожидалось.
InSight достиг Марса в конце 2018 года, и вскоре после этого обнаружено первое известное «марсотрясение». С тех пор инструменты посадочного модуля уловили более тысячи темблоров, большинство из которых были незначительными грохотами. Многие из этих землетрясений возникли в сейсмически активном регионе на расстоянии более 1000 километров от посадочного модуля. Небольшая часть землетрясений имела магнитуды от 3,0 до 4,0, и возникающие в результате вибрации позволили ученым исследовать Марс и выявить новые ключи к разгадке его внутренней структуры.
Саймон Штелер, сейсмолог из ETH Zurich, и его коллеги проанализировали сейсмические волны от 11 маршевых землетрясений в поисках двух типов волн: давления и сдвига. В отличие от волн давления, поперечные волны не могут проходить через жидкость, и они движутся медленнее, перемещаясь из стороны в сторону через твердые материалы, а не толкающим и вытягивающим движением в том же направлении, в котором движется волна, как это делают волны давления.
Из этих 11 событий шесть наборов вибраций включали сдвиговые волны, достаточно сильные, чтобы выделяться на фоне фонового шума. Сила этих поперечных волн предполагает, что они отражаются от внешней поверхности жидкого ядра, а не входят в твердое ядро и частично поглощаются, говорит Штелер. И разница во времени прибытия в InSight волн давления и поперечных волн для каждого землетрясения позволяет предположить, что ядро Марса имеет диаметр около 3660 километров.
Это чуть больше половины диаметра всей планеты, больше, чем большинство предыдущих оценок. Ядро Красной планеты настолько велико, что не позволяет InSight принимать определенные типы сейсмических волн с большей части планеты. Это, в свою очередь, предполагает, что Марс может быть более сейсмически активным, чем могут обнаружить датчики спускаемого аппарата. Действительно, одним из регионов в сейсмической слепой зоне посадочного модуля является регион Фарсида, где находятся некоторые из крупнейших вулканов Марса. Вулканическая активность там, а также движение расплавленной породы внутри земной коры в этом регионе могут вызвать землетрясения или сейсмические волны.
Хотя недавно проанализированные данные подтверждают, что внешнее ядро планеты жидкое, пока не ясно, есть ли у Марса твердое внутреннее ядро, подобное Земле, говорит соавтор исследования Амир Хан, геофизик из ETH Zurich.
«Сигнал должен присутствовать в сейсмических данных», — говорит он. «Нам просто нужно его найти».
В отдельном анализе, также опубликованном в журнале Science , Хан и его коллеги предполагают, что слепая зона для сейсмических исследований InSight может быть частично связана с тем, как сейсмические волны замедляются и изгибаются по мере их распространения вглубь планеты. Изменения скорости и направления сейсмических волн могут быть результатом, например, постепенных изменений температуры или плотности горных пород.
Сейсмические волны Марса также указывают на толщину земной коры. По словам Бриджит Кнапмайер-Эндрун, сейсмолог из Кельнского университета в Бергиш-Гладбахе, Германия, когда они отскакивают взад и вперед по планете, они отражаются от границ раздела между различными слоями и типами горных пород. По ее словам, в отдельном исследовании в Science она и ее команда проанализировали сейсмические сигналы, которые отражаются от нескольких таких границ раздела около поверхности Марса, что затрудняет определение глубины, на которой заканчивается кора планеты и начинается нижележащая мантия. Однако исследователи пришли к выводу, что средняя толщина коры, вероятно, составляет от 24 до 72 километров. Для сравнения: океаническая кора Земли имеет толщину от 6 до 7 километров, в то время как континентальная кора планеты в среднем имеет толщину от 35 до 40 километров.
По словам Штелера, вместе эти сейсмические анализы являются первыми, кто исследует внутренности скалистой планеты, отличной от Земли. Таким образом, они обеспечивают «наземную истину» для измерений, сделанных космическими кораблями, вращающимися вокруг Марса, и могут помочь ученым лучше интерпретировать данные, собранные с орбиты вокруг других планет, таких как Меркурий и Венера.
Полученные данные также могут дать понимание, которое поможет ученым-планетологам лучше понять, как Марс формировался и развивался на протяжении всей жизни Солнечной системы, и почему Красная планета оказалась настолько непохожей на Землю, говорит Санне Коттаар, геофизик из Кембриджского университета. Коттаар написал комментарий к новому исследованию, также опубликованный в Science.
«Марс был составлен из тех же строительных блоков, что и Земля», — говорит она, — «но дал другой результат».
