МОСКВА, 4 ноя — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. На основе новых данных миссии НАСА InSight ученые построили уточненную модель внутреннего строения Марса. Это позволяет лучше понять, как формировалась Красная планета и почему в какой-то момент ее поверхность стала непригодной для жизни.
Механизм магнитной защиты
Жизнь на Земле не зародилась бы без мощного магнитного поля, защищающего от ионизированных частиц солнечного ветра и космического излучения. На Марсе такого нет, и жизнь в том виде, в каком мы ее понимаем, там сейчас невозможна. Чтобы узнать, как было в прошлом, исследователи пытаются восстановить палеомагнитную историю планеты.
Необходимое условие магнитного поля — наличие ядра или другой внутренней оболочки, проводящей электрический ток, в которой имеет место движение вещества. У Земли такая оболочка есть — это внешнее ядро. Оно состоит из жидкого железа и никеля, в нем идет конвективное перемешивание вещества, связанное с отводом тепла от твердого внутреннего ядра, где происходят ядерные реакции.
В 1970-е советские орбитальные серии "Марс" выявили у Красной планеты небольшое магнитное поле, примерно в 500 раз слабее земного. При этом его локальная напряженность различалась в полтора-два раза, а магнитные полюса не совпадали с физическими. Такая неравномерность свидетельствовала о том, что железное ядро неподвижно относительно коры, а само магнитное поле, скорее всего, остаточное — намагниченность частично сохранилась в минералах с тех времен, когда недра были более активными.
CC0 / NASA /
Отрицательные (синим) и положительные (красным) аномалии остаточной намагниченности в коре Марса
Результаты, полученные автоматической космической станцией НАСА Mars Global Surveyor, работавшей на орбите Марса в 1996-2006 годах, подтвердили это предположение — приборы станции зафиксировали остаточный магнетизм в древнейших породах марсианской коры. Это значит, что на ранних этапах существования Красной планеты в ее недрах действовал механизм электромагнитного динамо, а затем прекратился.
Для объяснения, почему так произошло, предложили следующую гипотезу. Изначально вокруг Марса обращался крупный астероид, вызывавший приливные эффекты в ядре. Потом он снизился до предела Роша и разрушился. Ориентировочно это случилось через 350 миллионов лет после формирования планеты. Постепенно ядро остыло, а магнитное поле угасло. Оставшиеся марсианские спутники были слишком малы, чтобы поддерживать гравитационные возмущения в недрах планеты.
Долгое время "гипотезу астероида" признавали практически все исследователи, пока не появились новые данные миссии НАСА InSight.
Селфи посадочного модуля InSight
Загадка марсианского ядра
InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) — первый в истории космонавтики роботизированный модуль, созданный специально для изучения геологии другой планеты. Основной его инструмент — сейсмометр SEIS, регистрирующий сейсмические волны, которые возникают при тектонических подвижках или ударах метеоритов. На границах слоев пород с разной плотностью скорость этих волн меняется, часть из них отражается и возвращается к поверхности. По их параметрам можно составить представление о строении недр.
Посадочный модуль InSight Mars Lander достиг поверхности Красной планеты в ноябре 2018-го. За четыре года работы он зафиксировал сотни сейсмических сигналов. Большинство из них оказались связаны с поверхностными толчками, волны от которых распространялись только в марсианской коре. Но были и более глубинные, по которым геофизики определили, что в центре планеты находится жидкое ядро радиусом около 1830 километров — примерно на 30 процентов крупнее, чем ожидали ученые.
Возникло предположение, что ядро Марса, помимо железа и никеля, содержит большое количество легких химических элементов, таких как сера, кислород, углерод и водород. Эти элементы действительно хорошо сочетаются с тяжелыми жидкими металлами, но проблема в том, что, согласно общепринятой теории планетообразования, в процессе дифференциации первичного протопланетного вещества все они должны были перейти из ядра во внешние оболочки.
© NASA/JPL
Принципиальная схема работы сейсмометра, установленного на посадочном аппарате InSight
Новая модель Марса
Миссия InSight завершилась почти год назад, но специалисты до сих пор обрабатывают полученные данные. Недавно в приборных записях декабря 2021-го обнаружили событие, связанное с падением крупного метеорита. Результаты анализа сейсмических волн, вызванных этим ударом, заставили пересмотреть взгляд на внутреннее строение Марса. В работе участвовали две независимые группы ученых, в том числе и российские эксперты.
Согласно новым данным, марсианская мантия неоднородна — в нижней ее части, на границе с ядром находится слой расплавленных силикатов (породообразующих минералов, составляющих кору и мантию Марса и Земли) толщиной около 150 километров. До этого его ошибочно включали в состав ядра. Радиус же самого ядра оказался меньше, чем считали раньше, — 1650-1675 километров, а плотность — на пять-восемь процентов выше (около 6,5 г/см3). Это соответствует химическому составу, в котором 80-90 процентов приходится на железо и никель, а остальное — на легкие элементы.
Земное ядро еще тяжелее. По мнению авторов, это косвенно указывает на то, что Марс образовался чуть раньше Земли, когда в газово-пылевом облаке, окружавшем Солнце, было больше легких элементов.
Новая структурная модель хорошо согласуется с геофизическими наблюдениями (например, с тем, как Марс реагирует на деформацию под действием гравитационного притяжения его спутника Фобоса), с представлениями о дифференциации первичного вещества, компьютерными симуляциями и лабораторными экспериментами при высоком давлении.
Неточность первоначальных расчетов исследователи объясняют тем, что все предыдущие сейсмические события, на которых строился анализ, происходили на той же стороне Марса, где расположен спускаемый аппарат InSight. В результате сейсмометр регистрировал лишь волны, отраженные от границы жидкого слоя в мантии, которые не дают никакой информации о самых глубоких недрах. Падение крупного метеорита на противоположной стороне создало волны, проходящие сквозь всю планету.
© Thibaut Roger — NCCR PlanetS — ETH Zurich
Сейсмические признаки, указывающие на существование расплавленного слоя в основании марсианской мантии: 1) поперечные сейсмические волны (S-волны), вызванные марсотрясениями, проходят через твердую верхнюю мантию, но отражаются от жидкого нижнего слоя; 2) продольные сейсмические волны (Р-волны) от удара метеорита проходят сквозь всю планету, преломляясь в мягком расплавленном слое и отражаясь от плотного ядра. Поперечные волны могут существовать только в твердых телах, поэтому команда InSight первоначально проводила верхнюю границу ядра на уровне их отражения, не предполагая, что базальный слой мантии тоже может быть расплавленным
Блокирующий слой
Марс — первое космическое тело, помимо Земли и Луны, где ученым удалось провести прямое сейсмическое зондирование. Поэтому говорить о том, насколько типично или аномально строение его недр, пока рано. Известно лишь, что в земной мантии, на границе ее с ядром, никакого расплавленного слоя нет.
Исследователи предполагают, что он мог остаться от океана магмы, который когда-то покрывал Марс. По мере того как магма остывала и превращалась в твердую породу, разогретый слой, обогащенный радиоактивными элементами, опускался все ниже в основание мантии. В конце концов металлическое ядро, по словам одного из исследователей, профессора геологии Мэрилендского университета Ведрана Лекича, оказалось окутанным "изолирующим одеялом", которое препятствовало его охлаждению. Конвективные потоки, необходимые для поддержания "теплового динамо", остановились, и планета утратила потенциал для развития жизни.
Кстати, авторы говорят, что магнитное поле, существовавшее на ранних этапах геологической истории Марса, не обязательно связано с внутренней динамикой недр планеты. Его могли создать и внешние источники, например удары астероидов. А движения в ядре, возможно, были вызваны гравитационными взаимодействиями с древними спутниками, которые с тех пор исчезли.