Naukowcy „zaglądali” do wnętrza Marsa i to właśnie tam znaleźli

Naukowcy „zaglądali” do wnętrza Marsa i to właśnie tam znaleźli
Naukowcy „zaglądali” do wnętrza Marsa i to właśnie tam znaleźli
Anonim

Naukowcy wciąż muszą się wiele nauczyć o Czerwonej Planecie. W międzyczasie urządzenia InSight i Perseverance wysyłają na Ziemię bezprecedensowe dane o wszystkim, co wykryto na Marsie. Dzięki temu naukowcy otrzymali klucz do zrozumienia ewolucji Czerwonej Planety i jej różnic w stosunku do Ziemi.

Urządzenia InSight i Perseverance wysyłają na Ziemię bezprecedensowe dane dotyczące wszystkiego, od trzęsień Marsa po informacje o wewnętrznych warstwach Czerwonej Planety.

Jeśli ludzie na Ziemi toczą intensywną walkę z pandemią Covid-19, cierpią z powodu rekordowego upału i próbują wymyślić, jak upewnić się, że nie zabraknie im wody, nasz statek kosmiczny na Marsie żyje znacznie ciszej. (Pomaga też, że nie muszą oddychać). Zaparkowany na powierzchni Marsa lądownik Insight nasłuchuje wstrząsów, podczas gdy łazik Perseverance toczy się w poszukiwaniu życia.

W tym tygodniu naukowcy ujawnili serię odkryć naukowych opartych na informacjach zebranych od odważnych robotów. Dziś opublikowali w magazynie Science trzy artykuły, przygotowane przez kilkudziesięciu naukowców z całego świata. W nich naukowcy opowiadają o sprytnych sposobach wykorzystania sejsmometru aparatu „Insight”, za pomocą którego udało im się zajrzeć w głąb Czerwonej Planety. Instrument ten wzbogacił ich o bezprecedensową wiedzę o marsjańskiej skorupie, płaszczu i rdzeniu. Naukowcy po raz pierwszy zmapowali wnętrze innej planety. A wczoraj druga grupa naukowców zorganizowała konferencję prasową, na której ogłosili wstępne wyniki prac badawczych łazika Perseverance, a także omówili kolejne kroki, jakie podejmie w badaniu powierzchni krateru Jezero. Ten krater był kiedyś jeziorem i mógł stać się domem starożytnego życia mikrobiologicznego.

Naukowcy wciąż muszą się wiele nauczyć o Czerwonej Planecie. „Jest zbudowany z tych samych elementów, co Ziemia, ale bardzo się od niej różni” – powiedział sejsmolog Sanne Cottaar z University of Cambridge, który napisał artykuł dla Sainza na temat trzech nowych badań. - Istnieje wiele dowodów na to, że ewolucja Marsa była pod wieloma względami inna. A teraz, gdy naukowcy tworzą wewnętrzny obraz warstw planety, mamy nowe sposoby na zrozumienie, jak powstał Mars i jak powstał.”

Porównując dwie planety, pojawia się wiele interesujących pytań. Na przykład, dlaczego Ziemia ma pole magnetyczne, podczas gdy wydaje się, że Mars zniknął? Dlaczego na Ziemi jest tak wiele wulkanów i są one bardzo rozproszone, podczas gdy na Marsie wulkany są większe i bardziej skoncentrowane? (O średnicy 602 kilometrów i wysokości prawie 26 kilometrów Olimp jest największym znanym wulkanem w Układzie Słonecznym.) Powstaniu Marsa prawdopodobnie towarzyszyły liczne kataklizmy, ale teraz na jego powierzchni wszystko jest spokojne. I w przeciwieństwie do Ziemi, aktywność wulkaniczna jest niewielka. (Jednak w maju naukowcy przedstawili dowody takiej niedawnej aktywności.) Tylko spoglądając głębiej pod powierzchnię, naukowcy będą w stanie lepiej zrozumieć takie osobliwości Marsa, a także cechy podobnej Ziemi.

Ale zanim rzucimy się w lawinę tej literatury naukowej, musimy odbyć krótki kurs na temat budowy Marsa i aparatury „Insight” badającej go. W porównaniu z Ziemią Czerwona Planeta jest geologicznie dość spokojna. Ponieważ nasza planeta ma płyty tektoniczne, które są ogromnymi kawałkami ziemi, które poruszają się nad leżącym poniżej płaszczem, jej powierzchnia dosłownie eksploduje aktywnością, taką jak wulkany i katastrofalne trzęsienia ziemi. Na Marsie nie ma płyt tektonicznych, ponieważ jego rdzeń uformował się i szybko ochłodził na samym początku istnienia Czerwonej Planety. Dziś Marsem wstrząsają niewielkie wstrząsy, prawdopodobnie spowodowane kurczeniem się stygnącej planety.

Zadaniem lądownika Insight jest wykrywanie takich trzęsień ziemi za pomocą sejsmometru, co robi od lutego 2019 roku. Instrument ten dostarcza naukowcom wyjątkowo bogatej różnorodności danych sejsmicznych, zwłaszcza dla dwóch zjawisk - fal P (fal kompresji) i fal S (fal ścinania), które występują w wyniku trzęsień Marsa. „Fale P to podłużne fale sejsmiczne, takie jak dźwięk w powietrzu, i są to najszybsze fale rozchodzące się w ciałach planetarnych” – mówi Brigitte Knapmeyer-Endrun, sejsmolog z Uniwersytetu w Kolonii, która jest głównym autorem badania modelowanie kory marsjańskiej. „Mamy również fale wtórne, fale S lub fale poprzeczne. Ten ruch przypomina bardziej drżenie strun gitary.”

Co najważniejsze, fale S są wolniejsze niż fale P. Dlatego też, gdy nastąpi trzęsienie Marsa, sejsmometr sondy Insight zarejestruje je nieco później. „Różnica między pojawieniem się fal S i fal P daje nam wyobrażenie o lokalizacji aktywności sejsmicznej, jak daleko jest od naszej stacji”, mówi Knapmeier-Endrun. Fale te różnią się również w zależności od ośrodka, przez który przechodzą i od którego są odbijane. Fale P przechodzą przez stałe skały, ciecze i gazy, a fale S tylko przez stałe skały.

Analizując fale docierające do sejsmometru Insight, naukowcy mogą uzyskać wyobrażenie o wewnętrznym składzie Marsa. Ponieważ fale S nie mogą przeniknąć do płynnego jądra, cała ich energia jest odbijana całkowicie od granicy rdzeń-płaszcz. Pomyśl o tym jako o systemie binarnym dla komputerów. Tylko dwa elementy, jedynki i zera, można połączyć, aby stworzyć niezwykle złożone programowanie. Podobnie te dwa rodzaje fal łączą się, tworząc złożony obraz marsjańskich wnętrzności. „Przyglądamy się również różnicy w czasie przybycia, co pozwala nam określić grubość konkretnej warstwy”, mówi Knapmeier-Endrun.

Dzięki takim metodom ona i jej koledzy byli w stanie określić grubość kory. Wcześniej naukowcy musieli używać orbitujących satelitów do pomiaru różnic w grawitacji i właściwościach topograficznych na całej planecie. W ten sposób próbowali określić grubość skorupy, ostatecznie dochodząc do wniosku, że wynosi ona średnio 110 km.„Teraz, gdy pomiary są brane od wewnątrz, możemy powiedzieć, że była to wyraźna przesada” – mówi Knapmeier. -Endrun. Naukowcy uważają obecnie, że średnia grubość skorupy ziemskiej wynosi co najwyżej 72 kilometry.

Naukowcy uważają, że ta skorupa składa się z dwóch lub trzech warstw. Znajduje się tam najwyższa warstwa o grubości 10 kilometrów, która według pomiarów Insight okazała się niespodziewanie lekka. Wynika to prawdopodobnie z faktu, że składa się z pokruszonej skały pozostałej po uderzeniu meteorytów. Warstwa poniżej opada na głębokość około 20 kilometrów. „Niestety nie jesteśmy pewni, co tam dalej, tylko płaszcz czy nawet trzecia warstwa skorupy. W tej kwestii jest pewna niepewność i nie byliśmy jeszcze w stanie jej rozwiązać – mówi Knapmeier-Endrun. „Możemy śmiało powiedzieć, że skorupa nie jest tak gruba, jak wcześniej sądzono, a jej gęstość jest mniejsza”.

Sejsmolog planetarny Simon Stähler ze Szwajcarskiej Wyższej Szkoły Technicznej w Zurychu poprowadził badania nad najgorętszym wnętrzem Marsa, jego rdzeniem. Chociaż zespół Stehlera nie ma możliwości zajrzenia do wnętrza centralnej części planety, naukowcom udało się uzyskać pewne informacje, analizując fale S odbite od granicy między jądrem a płaszczem. Drgania te, nie mogąc przeniknąć do płynnego jądra Marsa, wracają na powierzchnię i tam są wychwytywane przez odbiorniki Insight. „Zajmuje to aż 10 minut”, mówi Stehler, odnosząc się do czasu od trzęsienia Marsa do czasu potrzebnego rdzeniowi na przechwycenie sygnału. Mierząc ten przedział czasu, jego zespół określił głębokość penetracji fali i na tej podstawie zmierzył głębokość samego jądra. Okazało się, że zaczyna się około 1550 kilometrów od powierzchni.

Naukowcy odkryli, że gęstość rdzenia jest zaskakująco niska i wynosi zaledwie 6 gramów na centymetr sześcienny. To znacznie mniej, niż się spodziewali po wysokożelaznym centrum marsjańskim. „Dla nas wciąż jest trochę tajemnicą, dlaczego jądro jest tak lekkie”, mówi Stehler. Na pewno powinny być lżejsze elementy, choć nie jest jasne, które. On i jego zespół mają nadzieję, że z czasem zarejestrują fale P powstałe w wyniku trzęsienia Marsa po przeciwnej stronie planety, dokładnie naprzeciwko miejsca, w którym znajduje się Insight. Ponieważ fale te mogą przenikać przez granicę między jądrem a płaszczem, dostarczą odbiornikowi lądownika informacji o składzie marsjańskiego jądra. Ale żeby to zadziałało, wyjaśnia Stehler: „Mars musi spotkać się z nami w połowie drogi i wywołać takie trzęsienie po drugiej stronie planety”.

W swojej pracy naukowej zespół Stehlera podaje, że promień jądra wynosi 1830 kilometrów. Inny zespół, kierowany przez Amira Khana, geofizyka ze Szwajcarskiej Wyższej Szkoły Technicznej w Zurychu, odkrył, że ten rozmiar jest tak duży, że jest bardzo mało miejsca na płaszcz, tak jak wewnątrz Ziemi. Ta warstwa, która otacza rdzeń, wykonuje zadanie zatrzymywania ciepła. Płaszcz ziemski podzielony jest na dwie części, a pomiędzy nimi znajduje się tak zwana strefa przejściowa. Warstwy górna i dolna składają się z różnych minerałów. „Płaszcz Marsa – powiem to nieco lekceważąco – jest uproszczoną wersją płaszcza Ziemi, sądząc po jego składzie mineralogicznym” – mówi Khan, który stał się głównym autorem pracy nad opisem płaszcza marsjańskiego.

Wcześniejsze szacunki promienia rdzenia zostały wykonane przy użyciu danych geochemicznych i geofizycznych i wykazały brak dolnej warstwy płaszcza. Ale aby to potwierdzić, naukowcy potrzebowali danych sejsmologicznych Insight. Stały się kluczem do zrozumienia ewolucji Czerwonej Planety, w szczególności dlaczego straciła ona pole magnetyczne, które chroniłoby atmosferę i ewentualne życie przed ostrymi wiatrami słonecznymi. Aby pojawiło się pole magnetyczne, potrzebna jest różnica temperatur między zewnętrzną i wewnętrzną częścią rdzenia. Musi być wystarczająco duży, aby wytworzyć krążące prądy, które mieszają płyn rdzeniowy i sprzyjają tworzeniu pola magnetycznego. Ale jądro Marsa ostygło tak szybko, że te prądy konwekcyjne wygasły.

Analiza Khana pokazuje również, że Mars ma grubą litosferę, jak nazywa się twardy i zimny płaszcz. Może to dać odpowiedź na pytanie, dlaczego Czerwona Planeta nie ma płyt tektonicznych, które wywołują na Ziemi potężną aktywność wulkaniczną. „Jeśli istnieje bardzo gęsta litosfera, niezwykle trudno jest ją rozbić w celu stworzenia na Ziemi pewnego rodzaju płyt tektonicznych” – wyjaśnia Khan. „Może byli na Marsie wcześnie, ale teraz definitywnie się zamknęli”.

Podczas gdy Insight „podsłuchuje” wewnętrzne wibracje Marsa, to Perseverance, tocząc się po jego zapylonej powierzchni, szuka w skałach śladów dawnego życia, określa miejsca, w których zbierane są próbki warstwy powierzchniowej i bada historię geologiczną Jezero. „Eksploracja to nie sprint, to maraton” – powiedział zastępca dyrektora naukowego NASA Thomas Zurbuchen na konferencji prasowej w środę na temat wczesnych sukcesów łazika na Czerwonej Planecie. „Wytrwałość to tylko jeden krok w długiej i starannie zaplanowanej podróży na Marsa, która w nadchodzących latach połączy wysiłki robotów i ludzi”.

Na konferencji prasowej naukowcy opowiedzieli o tym, co Perseverance robi podczas swoich podróży.„Wyzwanie polega na dokładnym ustaleniu, w jakim kierunku chcemy iść i jak zmieścimy wszystko w naszym harmonogramie”, powiedziała Vivian Sun z Jet Propulsion Laboratory NASA, inżynier systemowy. Według niej naukowcy postanowili wysłać Perseverance około kilometra na południe od miejsca lądowania w celu zebrania pierwszych próbek skał. Zebrane próbki będą przechowywane w korpusie łazika, a następnie położy je na powierzchni planety w celu późniejszego przeniesienia na Ziemię w locie powrotnym.

Perseverance jest wyposażony w dwumetrowe ramię robota z szeregiem nowych urządzeń, w tym demonstratorem technologii MOXIE do testowania możliwości generowania tlenu z atmosfery Marsa. Wykazał już swoją zdolność do przekształcania niewielkich ilości atmosferycznego dwutlenku węgla w tlen. Istnieją również czujniki do oceny aktualnego klimatu i kamery o wysokiej rozdzielczości do rejestrowania tego, co znajduje się wokół łazika. „Jesteśmy po prostu torturowani przez pyłowe diabły”, powiedział geochemik z Caltech, Ken Farley. To naprawdę diabelskie podmuchy wiatru, bardzo podobne, jak mówi, do ziemskich.

Niektóre skały na zdjęciach przypominają stwardniały muł jeziorny. Wskazuje to, że właśnie tam należy szukać śladów minionego życia w postaci skamieniałych znaków biologicznych. Naukowcy chcą również zrozumieć, czy skały w kraterze są pochodzenia osadowego czy wulkanicznego. Jeśli są to pozostałości emisji wulkanicznych, to za pomocą radiometrii można określić ich wiek. Umożliwi to lepsze zrozumienie historii geologicznej materiałów zebranych przez Perseverance. Farley twierdzi, że najbardziej zaskakującym do tej pory odkryciem są oznaki gwałtownych powodzi i zmian poziomu wody. Sugeruje to, że krater przeszedł kilka etapów suszenia i wypełniania wodą w stanie ciekłym.

Uzbrojony w nowe oprogramowanie oparte na sztucznej inteligencji, Perseverance pobił również rekord w zakresie niezależnego poruszania się łazików po powierzchni planety i zrobił to drugiego dnia autonomicznego ruchu. „Dzisiejszy napęd autonomiczny jest prawie tak szybki, jak ruch napędzany przez człowieka”, powiedział inżynier robotyki z Jet Propulsion Laboratory, Olivier Toupet. Człowiek może zdalnie sterować łazikiem, przemieszczając go około 30 metrów dziennie. Wykonuje starannie skalibrowane manewry, omijając przeszkody, a sztuczna inteligencja pozwala na zwiększenie prędkości urządzenia. Oprogramowanie tworzy trójwymiarową mapę powierzchni, po której porusza się pojazd, pozwalając na optymalizację i aktualizację trasy w czasie rzeczywistym. Według Toupe maksymalna odległość pokonywana autonomicznie na Marsie wynosi około 107 metrów. Naukowcy spodziewają się, że Wytrwałość zwiększy tę liczbę czterokrotnie w ciągu najbliższych kilku tygodni.

Po ukończeniu południowej flanki Wytrwałość skieruje się na północny zachód do delty starożytnej rzeki, która niegdyś niosła swoje wody do krateru Jezero. Następnie zacznie w pełni wykorzystywać znajdujące się na pokładzie instrumenty do określania składu chemicznego i mineralogicznego lokalnych skał marsjańskich, a także ich kształtu i tekstury. Te informacje pomogą naukowcom dowiedzieć się więcej o starożytnym cieku wodnym tego basenu.

A „Wgląd” znajdujący się kilka tysięcy kilometrów dalej będzie nadal rejestrował wstrząsy podpowierzchniowe i ujawniał wewnętrzną strukturę tej skalistej planety, którą naukowcy byli w stanie scharakteryzować za pomocą sejsmologii. „To bardzo młody obszar badań ludzkości” – mówi Kottar. „Patrzymy w gwiazdy znacznie dłużej niż pod nasze stopy”.

Zalecana: