В течение четырех лет спускаемый аппарат НАСА InSight регистрировал толчки на Марсе с помощью своего сейсмометра. Исследователи из ETH Zurich собрали и проанализировали данные, переданные на Землю, чтобы определить внутреннюю структуру планеты. «Хотя миссия завершилась в декабре 2022 года, теперь мы обнаружили кое-что очень интересное», — говорит Амир Хан, старший научный сотрудник отдела наук о Земле в ETH Zurich. Анализ зарегистрированных марсотрясений в сочетании с компьютерным моделированием рисует новую картину внутреннего строения планеты. Между ядром Марса из жидкого железного сплава и его твердой силикатной мантией лежит слой жидкого силиката (магмы) толщиной около 150 километров. «На Земле нет такого полностью расплавленного силикатного слоя», — говорит Хан. Это открытие, теперь опубликованное в журнале Nature вместе с исследованием, проведенным Анри Самюэлем из Института физики Земли в Париже, в котором был сделан аналогичный вывод с использованием дополнительных методов, также дает новую информацию о размере и составе ядра Марса, раскрывая загадку, которую исследователи до сих пор не смогли объяснить.
Анализ первоначально наблюдавшихся марсианских землетрясений показал, что средняя плотность марсианского ядра должна была быть значительно ниже плотности чистого жидкого железа. Ядро Земли, например, на 90 процентов состоит из железа по весу. Легкие элементы, такие как сера, углерод, кислород и водород, составляют в общей сложности около 10 процентов по весу. Первоначальные оценки плотности марсианского ядра показали, что оно состоит из гораздо большей доли легких элементов — около 20 процентов по весу. «Это представляет собой очень большое сочетание легких элементов, граничащее с невозможным. С тех пор мы задавались вопросом об этом результате», — говорит Дунъян Хуанг, постдокторант кафедры наук о Земле в ETH Zurich. Новые наблюдения показывают, что радиус марсианского ядра уменьшился с изначально определенного диапазона в 1800–1850 километров до где-то в диапазоне 1650–1700 километров, что составляет около 50 процентов радиуса Марса. Если марсианское ядро меньше, чем считалось ранее, но имеет ту же массу, из этого следует, что его плотность больше и, следовательно, оно содержит меньше легких элементов. Согласно новым расчетам, доля легких элементов упала до 9–14 процентов по весу.
«Это означает, что средняя плотность марсианского ядра все еще несколько низка, но уже не является необъяснимой в контексте типичных сценариев формирования планет», — говорит Паоло Сосси, доцент кафедры наук о Земле в ETH Цюрихе и член Национального института наук о Земле. Центры компетенции в области исследований (NCCR) PlanetS. Тот факт, что марсианское ядро содержит значительное количество легких элементов, указывает на то, что оно должно было образоваться очень рано, возможно, когда Солнце еще было окружено газом туманности, из которого легкие элементы могли накопиться в марсианском ядре. Первоначальные расчеты основывались на толчках, произошедших в непосредственной близости от спускаемого аппарата InSight. Однако в августе и сентябре 2021 года сейсмометр зафиксировал два землетрясения на противоположной стороне Марса. Один из них был вызван падением метеорита. «Эти землетрясения вызвали сейсмические волны, которые прошли через ядро», — объясняет Сесилия Дюран, аспирант кафедры наук о Земле в ETH Zurich.
«Это позволило нам осветить ядро». В случае более ранних марсотрясений, напротив, волны отражались от границы ядра и мантии, не давая никакой информации о самых глубоких недрах Красной планеты. В результате этих новых наблюдений исследователи теперь смогли определить плотность и скорость сейсмических волн жидкого ядра на глубине около 1000 километров. Чтобы сделать вывод о составе материала по таким профилям, исследователи обычно сравнивают данные с данными для синтетических сплавов железа, содержащих различные доли легких элементов (S, C, O и H). В лаборатории эти сплавы подвергаются воздействию высоких температур и давлений, эквивалентных тем, которые наблюдаются во внутренней части Марса, что позволяет исследователям напрямую измерять плотность и скорость сейсмических волн. Однако на данный момент большинство экспериментов проводится в условиях, преобладающих в недрах Земли, и поэтому не может быть немедленно применимо к Марсу. Следовательно, исследователи ETH Zurich прибегли к другому методу. Они рассчитали свойства самых разных сплавов, используя квантово-механические расчеты, которые они провели в Швейцарском национальном суперкомпьютерном центре (CSCS) в Лугано, Швейцария.
Когда исследователи сравнили рассчитанные профили со своими измерениями на основе сейсмических данных InSight, они столкнулись с проблемой. Оказалось, что ни один из сплавов железа и легких элементов одновременно не соответствовал данным как в верхней, так и в центре марсианского ядра. Например, на границе ядра и мантии железный сплав должен был бы содержать гораздо больше углерода, чем внутри ядра. «Нам потребовалось некоторое время, чтобы осознать, что область, которую мы ранее считали внешним ядром из жидкого железа, на самом деле на самом деле не ядро, а самая глубокая часть мантии», — объясняет Хуанг. В подтверждение этого исследователи также обнаружили, что плотность и скорость сейсмических волн, измеренные и рассчитанные на самых отдаленных 150 километрах ядра, соответствовали плотности и скорости сейсмических волн — того же материала в твердой форме, из которого состоит марсианская мантия. Дальнейший анализ более ранних марсотрясений и дополнительное компьютерное моделирование подтвердили этот результат. Вызывает лишь сожаление то, что пыльные солнечные панели и, как следствие, недостаток электроэнергии не позволили спускаемому аппарату InSight предоставить дополнительные данные, которые могли бы пролить больше света на состав и структуру недр Марса. «Тем не менее, миссия InSight оказалась очень успешной и предоставила нам много новых данных и идей, которые будут анализироваться в ближайшие годы», — говорит Хан.
