Ξετυλίξτε το βασικό μυστήριο του Κόκκινου Πλανήτη

ΆρηςΟ πυρήνας του υγρού σιδήρου είναι μικρότερος και πυκνότερος από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Όχι μόνο είναι μικρότερα, αλλά περιβάλλονται και από ένα στρώμα λιωμένου βράχου. Αυτό κατέληξαν οι ερευνητές του ETH της Ζυρίχης με βάση τα σεισμικά δεδομένα από το σκάφος προσεδάφισης InSight.

• Ένα χρόνο μετά NASA Η αποστολή InSight ολοκληρώθηκε και η ανάλυση των καταγεγραμμένων σεισμών στον Άρη, σε συνδυασμό με προσομοιώσεις υπολογιστή, συνεχίζει να αποδίδει νέα αποτελέσματα.
• Η ανάλυση των αρχικών σεισμών του Άρη που παρατηρήθηκαν δείχνει ότι η μέση πυκνότητα του αρειανού πυρήνα πρέπει να ήταν πολύ χαμηλότερη από την πυκνότητα του καθαρού υγρού σιδήρου.
• Νέες παρατηρήσεις δείχνουν ότι η ακτίνα του πυρήνα του Άρη έχει μειωθεί από το αρχικά καθορισμένο εύρος των 1.800-1.850 χιλιομέτρων σε 1.650-1.700 χιλιόμετρα.

Ανακαλύπτοντας το εσωτερικό του Άρη: Πληροφορίες από το InSight Lander της NASA

Επί τέσσερα χρόνια, το προσεδάφιο InSight της NASA κατέγραφε δονήσεις στον Άρη χρησιμοποιώντας το σεισμόμετρο του. Ερευνητές στο ETH Ζυρίχης συνέλεξαν και ανέλυσαν δεδομένα που στάλθηκαν πίσω στη Γη για να προσδιορίσουν την εσωτερική δομή του πλανήτη. «Αν και η αποστολή ολοκληρώθηκε τον Δεκέμβριο του 2022, τώρα ανακαλύψαμε κάτι πολύ ενδιαφέρον», λέει ο Amir Khan, ανώτερος επιστήμονας στο Τμήμα Επιστημών της Γης στο ETH Zurich.

Το μοναδικό πυριτικό στρώμα του Άρη

Η ανάλυση των καταγεγραμμένων σεισμών του Άρη, σε συνδυασμό με προσομοιώσεις υπολογιστή, δίνει μια νέα εικόνα του εσωτερικού του πλανήτη. Παγιδευμένος ανάμεσα σε υγρό αρειανό σίδηρο Κράμα Ο πυρήνας και ο στερεός πυριτικός μανδύας του πλανήτη βρίσκονται σε ένα στρώμα υγρού πυριτικού (μάγμα) πάχους περίπου 150 χιλιομέτρων. «Η Γη δεν έχει ένα εντελώς λιωμένο πυριτικό στρώμα σαν αυτό», λέει ο Khan.

Αυτό το αποτέλεσμα δημοσιεύτηκε τώρα στο επιστημονικό περιοδικό φύση Μαζί με μια μελέτη του Henri Samuel, του Ινστιτούτου Physique du Monde στο Παρίσι, η οποία κατέληξε σε παρόμοιο συμπέρασμα χρησιμοποιώντας συμπληρωματικές μεθόδους, παρέχει επίσης νέες πληροφορίες για το μέγεθος και τη σύνθεση του πυρήνα του Άρη, λύνοντας ένα μυστήριο που οι ερευνητές είχαν προηγουμένως λύσει. Μέχρι τώρα Δεν μπορούσε να εξηγήσει.

Βασική σύνθεση του Άρη

Η ανάλυση των αρχικών σεισμών του Άρη που παρατηρήθηκαν έδειξε ότι η μέση πυκνότητα του αρειανού πυρήνα πρέπει να ήταν πολύ χαμηλότερη από την πυκνότητα του καθαρού υγρού σιδήρου. Για παράδειγμα, ο πυρήνας της Γης είναι περίπου 90% σίδηρος κατά βάρος. Τα ελαφριά στοιχεία όπως το θείο, ο άνθρακας, το οξυγόνο και το υδρογόνο αποτελούν συνολικά περίπου 10 τοις εκατό κατά βάρος.

Οι αρχικές εκτιμήσεις για την πυκνότητα του πυρήνα του Άρη έδειξαν ότι αποτελούνταν από πολύ μεγαλύτερη αναλογία ελαφρών στοιχείων – περίπου 20% κατά βάρος. “Αυτό αντιπροσωπεύει μια πολύ μεγάλη ομάδα ελαφρών στοιχείων, κάτι που είναι σχεδόν αδύνατο. Από τότε αναρωτιόμαστε για αυτό το αποτέλεσμα”, λέει ο Dongyang Huang, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Τμήμα Γεωεπιστημών στο ETH Ζυρίχης.

Ο Henry Samuel, ερευνητής στο Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας και γεωδυναμικός στο IPGP, εξηγεί το νέο μοντέλο για την εσωτερική δομή του Άρη, που προτείνεται σε άρθρο που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature. Η μελέτη, που διεξήχθη από επιστήμονες από την αποστολή InSight της NASA, υποδηλώνει ότι ο μανδύας του Άρη είναι ετερογενής και αποτελείται από ένα στρώμα λιωμένων πυριτικών που καλύπτει τον αρειανό πυρήνα. Αυτό το μοντέλο, που κατασκευάστηκε με χρήση σεισμικών δεδομένων που καταγράφηκαν στον Άρη μετά από πρόσκρουση μετεωρίτη, το οποίο αντιπροσωπεύει όλες τις γεωφυσικές παρατηρήσεις, φέρνει επανάσταση στην άποψή μας για την εσωτερική δομή και την εξέλιξη του Κόκκινου Πλανήτη. Πίστωση: © IPGP

Επαναπροσδιορίζοντας την ουσία του Άρη

Οι νέες παρατηρήσεις δείχνουν ότι η ακτίνα του αρειανού πυρήνα έχει μειωθεί από το αρχικά καθορισμένο εύρος των 1800-1850 km σε 1650-1700 km, που αντιπροσωπεύει περίπου το 50% της ακτίνας του Άρη. Εάν ο πυρήνας του Άρη είναι μικρότερος από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως αλλά έχει την ίδια μάζα, σημαίνει ότι έχει μεγαλύτερη πυκνότητα και επομένως περιέχει λιγότερα φωτεινά στοιχεία. Σύμφωνα με νέους υπολογισμούς, η αναλογία των ελαφρών στοιχείων έχει μειωθεί μεταξύ 9 και 14 τοις εκατό κατά βάρος.

«Αυτό σημαίνει ότι η μέση πυκνότητα του πυρήνα του Άρη είναι ακόμα αρκετά χαμηλή, αλλά δεν είναι πλέον ανεξήγητη στο πλαίσιο τυπικών σεναρίων σχηματισμού πλανητών», λέει ο Paolo Susi, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Επιστημών της Γης στο ETH Ζυρίχης και μέλος. της Εθνικής Επιτροπής Γεωεπιστημών. Centres of Competence in Research (NCCRs) PlanetS.

Το γεγονός ότι ο πυρήνας του Άρη περιέχει μεγάλη ποσότητα φωτεινών στοιχείων δείχνει ότι σχηματίστηκε πολύ νωρίς, ίσως όταν ο Ήλιος περιβαλλόταν ακόμα από αέριο νεφελώματος από το οποίο θα μπορούσαν να είχαν συσσωρευτεί ελαφρά στοιχεία στον αρειανό πυρήνα.

Εκμεταλλευόμενοι τους μακρινούς αρειανούς σεισμούς

Οι αρχικοί υπολογισμοί βασίστηκαν σε δονήσεις που σημειώθηκαν κοντά στο προσγειωμένο InSight. Όμως τον Αύγουστο και τον Σεπτέμβριο του 2021, ο σεισμογράφος κατέγραψε δύο σεισμούς στην άλλη πλευρά του Άρη. Ένα από αυτά οφειλόταν σε πρόσκρουση μετεωρίτη.

«Αυτοί οι σεισμοί παρήγαγαν σεισμικά κύματα που διέσχισαν τον πυρήνα της Γης», εξηγεί η Σεσίλια Ντουράν, διδακτορική φοιτήτρια στο Τμήμα Γεωεπιστημών στο ETH Ζυρίχης. «Αυτό μας επέτρεψε να φωτίσουμε την καρδιά».

Αντίθετα, στην περίπτωση των προηγούμενων σεισμών του Άρη, τα κύματα αντανακλώνονταν στο όριο πυρήνα-μανδύα, χωρίς να παρέχετε πληροφορίες για το βαθύτερο εσωτερικό του κόκκινου πλανήτη. Ως αποτέλεσμα αυτών των νέων παρατηρήσεων, οι ερευνητές μπόρεσαν τώρα να προσδιορίσουν την πυκνότητα και την ταχύτητα των σεισμικών κυμάτων του υγρού πυρήνα σε βάθος περίπου 1.000 km.

Κβαντομηχανική προσομοίωση υπερυπολογιστή

Για να συμπεράνουν τη σύνθεση του υλικού από αυτά τα προφίλ, οι ερευνητές συνήθως συγκρίνουν τα δεδομένα με συνθετικά κράματα σιδήρου που περιέχουν διαφορετικές αναλογίες ελαφρών στοιχείων (S, C, O και H). Στο εργαστήριο, αυτά τα κράματα εκτίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις ισοδύναμες με αυτές που βρίσκονται στο εσωτερικό του Άρη, επιτρέποντας στους ερευνητές να μετρήσουν άμεσα την πυκνότητα και την ταχύτητα των σεισμικών κυμάτων.

Ωστόσο, αυτή τη στιγμή, τα περισσότερα πειράματα γίνονται σε συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό της Γης, και ως εκ τούτου δεν είναι άμεσα εφαρμόσιμα στον Άρη. Ως αποτέλεσμα, οι ερευνητές στο ETH της Ζυρίχης στράφηκαν σε μια διαφορετική προσέγγιση. Υπολόγισαν τις ιδιότητες ενός ευρέος φάσματος κραμάτων χρησιμοποιώντας κβαντομηχανικούς υπολογισμούς, τους οποίους διεξήγαγαν στο Ελβετικό Εθνικό Κέντρο Υπερυπολογιστών (CSCS) στο Λουγκάνο της Ελβετίας.

Όταν οι ερευνητές συνέκριναν τα υπολογισμένα προφίλ με τις μετρήσεις τους με βάση τα σεισμικά δεδομένα του InSight, αντιμετώπισαν πρόβλημα. Αποδεικνύεται ότι δεν υπάρχουν ελαφρά κράματα σιδήρου που να ταιριάζουν ταυτόχρονα με τα δεδομένα στην κορυφή και στο κέντρο του Άρη. Για παράδειγμα, στο όριο μεταξύ πυρήνα και μανδύα, το κράμα σιδήρου θα έπρεπε να περιέχει πολύ περισσότερο άνθρακα από ό,τι βρίσκεται στο εσωτερικό του πυρήνα.

«Μας πήρε λίγο χρόνο για να συνειδητοποιήσουμε ότι η περιοχή που θεωρούσαμε προηγουμένως ότι ήταν ο εξωτερικός πυρήνας υγρού σιδήρου δεν ήταν τελικά ο πυρήνας, αλλά το βαθύτερο μέρος του μανδύα», εξηγεί ο Huang. Προς υποστήριξη αυτού, οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι η πυκνότητα και η ταχύτητα των σεισμικών κυμάτων που μετρήθηκαν και υπολογίστηκαν στα πιο απομακρυσμένα 150 χιλιόμετρα του πυρήνα του Άρη ήταν συνεπείς με εκείνες που βρέθηκαν στα υγρά πυριτικά – το ίδιο υλικό, σε στερεά μορφή, που αποτελεί τον Άρη μανδύα. .

Περαιτέρω ανάλυση προηγούμενων σεισμών στον Άρη και πρόσθετες προσομοιώσεις υπολογιστή επιβεβαίωσαν αυτό το εύρημα. Δυστυχώς, τα σκονισμένα ηλιακά πάνελ και οι επακόλουθες ελλείψεις ενέργειας κατέστησαν αδύνατο για το προσεδάφιο InSight να παράσχει πρόσθετα δεδομένα που θα μπορούσαν να ρίξουν περισσότερο φως στη σύνθεση και τη δομή του εσωτερικού του Άρη. «Ωστόσο, το InSight ήταν μια πολύ επιτυχημένη αποστολή, παρέχοντάς μας πολλά νέα δεδομένα και γνώσεις που θα αναλύονται για τα επόμενα χρόνια», λέει ο Khan.

Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με αυτήν τη μελέτη, δείτε το InSight Lander της NASA αποκαλύπτει το μυστήριο του λιωμένου Άρη.

Βιβλιογραφικές αναφορές:

«Evidence for a liquid silicate layer above the core of Mars» από τους A. Khan, D. Huang, C. Durán, P. A. Sossi, D. Giardini και M. Murakami, 25 Οκτωβρίου 2023, φύση.
doi: 10.1038/s41586-023-06586-4

«Γεωφυσικά στοιχεία για ένα πλούσιο λιωμένο πυριτικό στρώμα πάνω από τον πυρήνα του Άρη» από τους Henry Samuel, Melanie Drilio, Attilio Rivoldini, Zhongbo Xu, Quanqing Huang, Rafael F. Garcia, Vedran Lekic, Jessica C. E. Irving, James Padro, Philip H. Lugnoni , James Connolly , Taichi Kawamura, Tamara Gudkova και William B. Bannerd, 25 Οκτωβρίου 2023, φύση.
doi: 10.1038/s41586-023-06601-8

Η αποστολή Mars Insight της NASA

εργαστήριο τζετ πρόωσης (Εργαστήριο Jet Propulsion) διαχειρίστηκε το InSight για τη Διεύθυνση Επιστημονικής Αποστολής της NASA. Το InSight αποτελεί μέρος του Προγράμματος Ανακάλυψης της NASA, το οποίο διαχειρίζεται το Marshall Space Flight Center του οργανισμού. Η Lockheed Martin Space κατασκεύασε το διαστημικό σκάφος InSight, συμπεριλαμβανομένης της πλατφόρμας κρουαζιέρας και της προσγείωσης, και υποστήριξε τις λειτουργίες του διαστημικού σκάφους για την αποστολή.

Ένας αριθμός Ευρωπαίων εταίρων, συμπεριλαμβανομένου του γαλλικού Εθνικού Κέντρου Διαστημικών Μελετών (CNES) και του Γερμανικού Κέντρου Αεροδιαστημικής (DLR), υποστηρίζουν την αποστολή InSight. Το Εθνικό Κέντρο Διαστημικών Μελετών της Γαλλίας παρουσίασε το όργανο Seismic Experiment for Interior Structure (SEIS) στη NASA, με τον κύριο ερευνητή στο IPGP (Institut Physique du Générale στο Παρίσι). Σημαντική συνεισφορά στο SEIS προήλθε από το IPGP. το Ινστιτούτο Max Planck για την Έρευνα του Ηλιακού Συστήματος (MPS) στη Γερμανία· το Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας (ETH Zurich) στην Ελβετία· Imperial College του Λονδίνου Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης στο Ηνωμένο Βασίλειο; Και το Εργαστήριο Jet Propulsion. Η υπηρεσία Marsquake διευθύνεται από το ETH Zurich, με σημαντικές συνεισφορές από την IPGP. ο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ; Imperial College; ISAE (Ανώτατο Ινστιτούτο Αεροπορίας και Διαστήματος). MPS. Και το Εργαστήριο Jet Propulsion. Το όργανο Heat Flow and Physical Properties Package (HP3) παρασχέθηκε από την DLR, με σημαντικές συνεισφορές από το Κέντρο Διαστημικής Έρευνας (CBK) της Πολωνικής Ακαδημίας Επιστημών και της Astronica στην Πολωνία. Το Ισπανικό Κέντρο Αστροβιολογίας (CAB) παρείχε τους αισθητήρες θερμοκρασίας και ανέμου.