Последние результаты, полученные с помощью космического аппарата InSight, позволяют предположить, что ядро Марса полностью жидкое, а в его мантии есть странные аномалии
Учёные обнаружили свидетельства странных аномалий массы, погребённых глубоко под поверхностью Марса — так говорится в исследовании, основанном на наблюдениях, сделанных зондом НАСА InSight. В новом исследовании также сообщается о небольшом ускорении вращения планеты и подкрепляется теория об отсутствии у Марса твёрдого внутреннего ядра, что проливает свет на его пригодность для жизни в далёком прошлом.
Последние результаты, полученные аппаратом InSight, завершившим свою миссию в декабре 2022 г., открывают новое окно в глубокие слои Марса, включая его ядро и мантию, и позволяют предположить, что скорость вращения может меняться из-за необъяснимой динамики в его недрах, атмосфере или ледяных шапках. Помимо изучения современной структуры Марса, наблюдения InSight позволяют получить подробную информацию о формировании и эволюции планеты за последние 4,5 млрд лет, что может дать нам ответ на волнующий вопрос о том, была ли на Марсе когда-либо жизнь.
Аппарат InSight, что расшифровывается как Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport [Разведка внутренних пространств с использованием сейсмических исследований, геодезии и переноса тепла], совершил посадку в экваториальном районе Марса на равнине Элизий 26 ноября 2018 года. В течение следующих четырёх лет аппарат зафиксировал более 1300 «марсотрясений», что позволило ему заглянуть внутрь Марса при помощи анализа сейсмических волн. Они дали нам беспрецедентное представление о внутреннем устройстве чужой планеты.
Хотя многие открытия InSight были сделаны благодаря сейсмическим записям, аппарат был оснащён системой под названием Rotation and Interior Structure Experiment (RISE), которая передавала радиосигналы через межпланетное пространство между посадочным аппаратом и гигантскими радиоантеннами на Земле.
Теперь исследователи под руководством Себастьяна Ле Майстра, планетарного учёного из Королевской обсерватории Бельгии, использовали RISE «для определения фундаментальных свойств ядра, мантии и атмосферы Марса», что привело к целому ряду удивительных открытий, как говорится в исследовании, опубликованном в журнале Nature.
«В основном всё [это] было так или иначе удивительно! — сказал Ле Майстр в электронном письме. — Медленное ускорение вращения — это большой сюрприз, который до сих пор не предсказывала ни одна теория. Почти гидростатическая форма ядра (т.е. форма ядра планеты, вращающейся в жидкости) также оказалась неожиданной, поскольку поверхность и кора Марса не находятся в гидростатическом равновесии! Мы долго искали правдоподобные процессы, которые могли бы объяснить это неожиданное уплощение ядра».
«Несмотря на то, что данные RISE оказались более точными, чем я ожидал до прибытия аппарата на Марс, нам пришлось приложить неожиданно много усилий, чтобы извлечь из них целевой сигнал», — добавил он.
Новые результаты RISE указывают на то, что внутренние «аномалии массы», представляющие собой области с плотностью и составом, отличными от окружающей среды, находятся в мантии Марса, которая залегает примерно в 19 км под поверхностью планеты и простирается вниз ещё на 1559 км до ядра.
«Форма и гравитационное поле Марса в основном определяются скоростью его вращения и в меньшей степени поверхностными и внутренними аномалиями массы, — пояснил Ле Майстр. — В предыдущих исследованиях было показано, что наблюдаемая форма и гравитационное поле можно объяснить нагрузкой, вызванной рельефом поверхности и рельефом (или аномалией массы) вдоль границы раздела коры и мантии».
«Предполагаемая форма ядра, однако, не согласуется с результатами нашего исследования, которые требуют либо аномалии массы на несколько сотен километров глубже — на дне литосферы, либо на границе раздела и дне мантии, — продолжает он. — Современная толстая литосфера даёт ограничения на скорость остывания планеты и распределение тепловыделяющих радиоактивных элементов в мантии и коре. Массовые аномалии в литосфере, вероятно, имеют химическое происхождение и обусловлены аномалиями плотности, запертыми внутри жёсткой литосферы в результате латеральных колебаний температуры».
RISE позволил учёным отслеживать местоположение InSight с точностью до полуметра, даже на расстоянии сотен миллионов километров, разделяющих Марс и Землю. Такая чувствительность позволила получить невероятно точные измерения вращения Марса, а также колебаний его оси, которые зависят от внутреннего состава планеты. Таким образом, если сейсмометр InSight позволяет изучить внутреннее строение Марса с помощью марсотрясений, то RISE может исследовать подземные структуры благодаря острому ощущению вращательного и осевого движения планеты.
Ле Майстр входит в состав группы под руководством Вероник Дехант, геофизика из Королевской обсерватории Бельгии и соавтора исследования, которая в настоящее время руководит анализом данных RISE. Новое исследование содержит данные наблюдений, собранные в период с 27 ноября 2018 года — буквально на следующий день после посадки InSight на Марс — по 31 мая 2021 года. Этот большой набор данных охватывает 890 марсианских дней, называемых солами, и включает 544 прохода с 25 000 отдельных точек данных.
На протяжении десятилетий учёные спорили о том, есть ли у Марса твёрдое внутреннее ядро, подобное центру Земли, или же его ядро полностью состоит из расплавленной жидкости. Изучив мельчайшие детали вращения Марса с помощью прибора RISE, команда Ле Майстра смогла отдельно охарактеризовать ядро и мантийные слои Марса, показав, что ядро, скорее всего, полностью состоит из расплавленного железо-серного сплава, простирающегося в радиусе около 1 170 км.
«Отсутствие внутреннего ядра позволяет судить о современной температуре внутри ядра, если дополнить наши знания о его химическом составе», — сказал Ле Майстр.
Эти результаты имеют косвенное отношение к оценке того, была ли на Марсе жизнь миллиарды лет назад, в ту древнюю эпоху, когда планета имела более плотную атмосферу, защитное магнитное поле и жидкую воду на поверхности. В то время как твёрдое внутреннее ядро Земли до сих пор поддерживает магнитное поле нашей планеты, Марс, возможно, стал негостеприимным для жизни отчасти из-за отсутствия твёрдого ядра, что привело к разрушению его зарождающегося магнитного поля.
«Термическое состояние и состав ядра важны для истории магнитного динамо, что, в свою очередь, может иметь важные последствия для сохранения атмосферы и возможной обитаемости поверхности на ранних этапах истории Марса», — сказал Ле Майстр.
Отсутствие твёрдого ядра также «согласуется с ранним прекращением генерируемого ядром магнитного поля около [трёх миллиардов лет] назад», — отметил он.
Наконец, что не менее важно, исследователи обнаружили в данных RISE небольшое увеличение скорости вращения Марса, которое пока остаётся необъяснимым. Команда предположила, что это медленное ускорение может быть вызвано долгосрочными сдвигами в недрах Марса или, возможно, небольшим снижением атмосферного давления, связанным с постепенным накоплением льда в полярных шапках.
«Причин, по которым Марс несколько ускорился за последние 40 лет, может быть несколько одновременно, — сказал Ле Майстр. — Это может быть даже артефакт наблюдений, хотя мы обнаружили это в независимых наборах данных, обработанных с помощью разного программного обеспечения и разными командами».
«Будущие наблюдения, безусловно, могут помочь решить эту загадку, во-первых, подтвердив сигнал, а во-вторых, ограничив его природу (например, если он наблюдается в данных о давлении, можно сделать вывод, что он связан с атмосферой планеты)», — продолжил он, отметив, что его команда планирует в будущем опубликовать новые исследования по этой теме.
InSight прекратил работу в конце прошлого года после того, как его солнечные батареи настолько запылились, что больше не могли генерировать энергию. Однако новое исследование показывает, что миссия продолжает жить благодаря своим непревзойдённым наблюдениям марсианских недр, которые позволили разрешить фундаментальные загадки соседнего с нами мира, а также поставить новые волнующие вопросы для будущих миссий.
«На самом деле с помощью данных RISE можно сделать гораздо больше, чем уже сделано, несмотря на то, что InSight уже ушёл в отставку, — заключил Ле Майстр. — Например, мы надеемся, что вскоре, проанализировав полный набор данных RISE, мы сможем ещё больше ограничить не только внутреннее пространство, но и динамику марсианской атмосферы и её взаимодействие с ледяными шапками планеты».
