Марсотрясения и следы древних наводнений: новейшие открытия, сделанные марсоходом Perseverance и зондом InSight

Месяц назад ученые обнародовали открытия, сделанные на Марсе двумя роботами. В трех статьях, опубликованных в журнале Science, рассказывается о том, как при помощи сейсмометра InSight исследователи заглянули вглубь Красной планеты и изучили ее кору, мантию и ядро.

Таким образом, Марс стал первой после Земли планетой, внутреннее строение которой нам известно в деталях.

Позже другая группа ученых провела пресс-конференцию, чтобы рассказать о первых результатах работы марсохода Perseverance и дальнейших планах по исследованию кратера Езеро — когда-то он был озером, где могли обитать древние бактерии.

Нам еще многое предстоит узнать о Марсе.

«Марс, условно говоря, составлен из тех же строительных материалов, что и наша планета, но выглядит совершенно иначе, — говорит Санне Коттар, сейсмолог из Кембриджского университета, подготовившая для Science обзорную статью по трем новым исследованиям. — Факты указывают на то, что эволюция Марса шла по иному пути. Изучение слоев, из которых состоит эта планета, поможет нам понять, как она сформировалась».

При сравнении двух планет сразу же возникает множество интересных вопросов.

Почему, например, у Земли есть магнитное поле, тогда как Марс свое утратил? Почему вулканы разбросаны по всей поверхности Земли, а на Марсе они крупнее и сосредоточены в одном месте?

Марсианский вулкан Олимп диаметром 850 000 метров и высотой 26 000 метров — это самый высокий (среди известных науке) вулкан в Солнечной системе. Он извергался в течение длительного времени, но затем потух; в отличие от Земли на Марсе вулканическая активность сейчас отсутствует. Однако в мае ученые обнаружили предположительные свидетельства недавней вулканической активности. Лишь заглянув внутрь Марса, исследователи могут разгадать загадки этой планеты — и узнать при этом что-то новое о Земле.

Но прежде чем обратиться к новым открытиям, нужно вкратце рассказать о строении Марса и функциях аппарата InSight.

По сравнению с Землей геологическая активность на Марсе достаточно мала. Поскольку наша планета состоит из тектонических плит — крупных движущихся участков земной коры, — на поверхности извергаются вулканы и происходят землетрясения.

На Марсе отсутствует тектоника плит, так как его кора сформировалась и застыла на раннем этапе. Марсотрясения намного слабее землетрясений и вызваны сжатием планеты из-за продолжительного охлаждения.

Задача аппарата InSight, который действует с февраля 2019 года, — фиксировать эти толчки при помощи сейсмометра. Инструмент предоставляет ученым огромное количество данных о P-волнах и S-волнах, наблюдающихся во время марсотрясений.

«Р-волны — это упругие волны, похожие на звуковые. Они имеют самую высокую скорость из всех планетарных волн, — говорит сейсмолог Бриджит Кнапмейер-Эндрун из Кельнского университета. — Кроме них, есть также S-волны, то есть сдвиговые волны. Они напоминают колебания гитарной струны».

Самое важное различие в том, что S-волны медленнее P-волн, поэтому когда начинается марсотрясение, установленный на InSight сейсмометр регистрирует их позже. «Промежуток между фиксированием P-волн и S-волн позволяет локализовать эпицентр толчков», — объясняет Кнапмейер-Эндрун. Волны также отличаются по типу среды, в которой они способны распространяться. P-волны могут проходить через твердые тела, жидкости и газы, тогда как S-волны — только через твердые тела.

Анализ волн помогает ученым реконструировать внутреннее строение Марса. Поскольку S-волны не могут пройти через жидкое ядро планеты, их энергия отражается от границы между корой и мантией.

Здесь можно провести аналогию с бинарной системой компьютерных сигналов. Как сочетание двух элементов, нулей и единиц, позволяет создавать сложные программы, так и регистрация двух типов волн позволяет получить детальную картину недр Марса.

Кнапмейер-Эндрун и ее коллеги установили толщину коры на основании промежутка между волнами. Прежде, используя данные со спутников, ученые определили среднюю толщину коры в 110 км. «Благодаря данным, полученным из глубины планеты, мы теперь можем сказать, что это слишком много», — говорит Кнапмейер-Эндрун. Новые данные показывают, что максимальная средняя толщина равняется 72 км.

Считается, что в коре Марса насчитывается два или три слоя. Верхний слой, состоящий из раздробленной породы, оставшейся от столкновений с метеоритами, имеет толщину 10 км. Толщина следующего за ним слоя примерно 20 км.

«К сожалению, мы точно не знаем, что расположено ниже — мантия или третий слой коры, — признается Кнапмейер-Эндрун. — Но мы можем с уверенностью сказать, что кора имеет меньшую толщину и плотность, чем считалось ранее».

Сейсмолог Саймон Стелер из Швейцарской высшей технической школы Цюриха возглавлял исследование самой горячей точки Марса — ядра. Команде Стелера удалось получить информацию о нем благодаря изучению S-волн, которые отражаются от границы между корой и мантией.

Будучи не в состоянии проникнуть внутрь жидкого ядра, они отбиваются обратно к поверхности Марса, где их и фиксируют датчики InSight. По словам Стелера, между первоначальным толчком и фиксацией волны, отбившейся от ядра, проходит целых десять минут. На основании этого времени его команда вычислила глубину залегания ядра — около 1550 км от поверхности.

Плотность ядра оказалась на удивление низкой: лишь 6 г на 1 см³, что намного меньше ожидаемого, учитывая высокое содержание железа. «Легкость ядра по-прежнему остается для нас загадкой», — говорит Стелер.

Он и его команда надеются зафиксировать P-волны, вызванные марсотрясением, эпицентр которого будет на другой стороне планеты, то есть напротив точки, в которой находится InSight. Так как P-волны способны пробить границу между корой и мантией, они должны предоставить данные о составе ядра. Но для этого, говорит Сталер, «Марс должен подыграть нам и организовать толчки на другой стороне планеты».

В своей статье Стелер и его команда указывают, что радиус ядра равен 1830 км. Другая команда ученых, возглавляемая геофизиком из Швейцарской высшей технической школы Цюриха Амиром Ханом, считает, что это число слишком большое — в такой модели не остается места для нижней мантии, которая на Земле выполняет функцию теплоизоляции ядра. Мантия Земли состоит из двух частей, разделенных границей. Минеральный состав верхней и нижней мантии отличается. «С точки зрения минералогии мантия Марса — это несколько упрощенная версия земной мантии», — говорит Хан.

Предыдущие оценки радиуса ядра на основании геохимических и геофизических данных указывали на отсутствие нижней мантии, и данные с сейсмографа InSight должны были это подтвердить. Без нижнего слоя мантии ядро Марса остывало бы намного быстрее, чем ядро Земли.

Это имеет важное значение в контексте эволюции Красной планеты и, в частности, утраты магнитного поля, которое защищало бы атмосферу, а возможно, и живые организмы от солнечного ветра. Чтобы магнитное поле сохранялось, необходимо, чтобы между температурами внешнего и внутреннего ядра был плавный переход — тогда циркулирующие потоки перемешивают жидкое наполнение ядра. Но ядро Марса остыло так быстро, что эти конвекционные потоки утихли.

Исследование Хана также показало, что Марс имеет толстую литосферу, твердую и холодную часть мантии. Это может объяснять отсутствие на этой планете тектоники плит, которая провоцирует вулканическую активность на Земле. «Очень толстая литосфера не ломается, и поэтому на Марсе не возникает тектонических плит, как на Земле», — говорит Хан.

Пока InSight слушал вибрации в глубине Марса, Perseverance прочесывал пыльную поверхность планеты в поисках признаков былой жизни, оценивал места для сбора образцов реголита и изучал геологическую историю кратера Езеро. «Исследование — это не спринт, а марафон», — напоминает глава департамента научных исследований НАСА Томас Цурбухен, который произнес вступительное слово на пресс-конференции, посвященной первым пяти месяцам работы марсохода.

На брифинге для прессы ученые вкратце рассказали о предыдущих этапах работы Perseverance. «Самое трудное — это определить, куда мы хотим отправиться и составить маршрут так, чтобы уложиться в график», — говорит Вивиан Сан, системный инженер из лаборатории реактивного движения НАСА. Сан рассказала, что Perseverance решили отправить на расстояние свыше 900 метров на юг от места посадки, чтобы собрать образцы породы, которые позже должен доставить на Землю аппарат.

Марсоход оснащен «рукой», то есть роботизированным манипулятором длиной 2,1 м, и целым набором новых инструментов, в частности, установкой для преобразования кислорода в диоксид углерода (MOXIE), которая уже доказала свою эффективность. «Рука» также имеет сенсоры для фиксации климатических данных и камеры высокого разрешения для фотографирования ландшафта Красной планеты.

«Наши снимки постоянно портят пыльные вихри», — жалуется геохимик из Калифорнийского технологического института Кен Фарли.

Некоторые образцы породы на снимках напоминают затвердевший озерный ил, что может указывать на наличие биосигнатур — окаменелых признаков былой жизни. Ученые также планируют выяснить, является ли порода в кратере осадочной или вулканической по происхождению. Во втором случае ее возраст можно будет определить при помощи радиометрии.

По словам Фарли, пока что самым неожиданным открытием было обнаружение следов паводков и изменений уровня воды, указывающих на то, что в прошлом кратер неоднократно высыхал и снова наполнялся жидкостью.

Благодаря новому программному обеспечению на основе ИИ Perseverance уже на второй день удалось побить рекорд по продолжительности самостоятельного движения марсохода. «Автономное управление марсоходом на данный момент почти так же эффективно, как ручное», — говорит роботехник из лаборатории реактивного движения Оливье Тупе. ИИ позволяет создавать трехмерную карту поверхности, а значит — обновлять и оптимизировать маршрут в реальном времени. По словам Тупе, рекорд автономного движения марсохода до сих пор едва превышал 100 метров. Ожидается, что Perseverance побьет его с четырехкратным разрывом уже через несколько недель.

После поездки на юг Perseverance отправится на северо-запад, к дельте древней реки, когда-то снабжавшей водой кратер Езеро. Затем марсоход применит все инструменты своей роботизированной «руки», чтобы изучить химический и минералогический состав, форму и текстуру местной породы, что поможет ученым больше узнать о происходившей там циркуляции воды.

Тем временем InSight продолжит фиксацию марсотрясений и сбор данных о недрах первой после Земли планеты, изучаемой при помощи сейсмологии. «Сейсмология — это молодая дисциплина, — говорит Коттар. — Человечество начало смотреть на звезды намного раньше, чем себе под ноги».