Wissenschaftler haben ins Innere des Mars "geschaut" und das haben sie dort gefunden
Wissenschaftler haben ins Innere des Mars "geschaut" und das haben sie dort gefunden
Anonim

Wissenschaftler müssen noch viel über den Roten Planeten lernen. In der Zwischenzeit senden InSight- und Perseverance-Geräte beispiellose Daten über alles, was auf dem Mars entdeckt wird, an die Erde. Dadurch erhielten die Wissenschaftler den Schlüssel zum Verständnis der Entwicklung des Roten Planeten und seiner Unterschiede zur Erde.

InSight- und Perseverance-Geräte senden beispiellose Daten zu allem, von Marbeben bis hin zu Informationen über die inneren Schichten des Roten Planeten.

Wenn die Menschen auf der Erde einen intensiven Kampf gegen die Covid-19-Pandemie führen, unter Rekordhitze leiden und versuchen herauszufinden, wie sie sicherstellen können, dass ihnen das Wasser nicht ausgeht, dann lebt unsere Raumsonde auf dem Mars viel ruhiger. (Es hilft auch, dass sie nicht atmen müssen.) Auf der Marsoberfläche geparkt, hört der Insight-Lander auf die Beben, während der Perseverance-Rover auf der Suche nach Leben herumrollt.

Diese Woche haben Wissenschaftler eine Reihe wissenschaftlicher Erkenntnisse vorgestellt, die auf Informationen von mutigen Robotern basieren. Heute haben sie drei Artikel im Science-Magazin veröffentlicht, die von Dutzenden von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt erstellt wurden. Darin erzählen die Forscher von den cleveren Einsatzmöglichkeiten des Seismometers des "Insight"-Gerätes, mit dessen Hilfe es ihnen gelungen ist, tief in den Roten Planeten zu blicken. Dieses Instrument bereicherte sie mit beispiellosem Wissen über die Kruste, den Mantel und den Kern des Mars. Wissenschaftler haben zum ersten Mal das Innere eines anderen Planeten kartiert. Und gestern hat eine zweite Gruppe von Wissenschaftlern eine Pressekonferenz abgehalten, auf der sie die vorläufigen Ergebnisse der Forschungsarbeiten des Perseverance-Rovers bekannt gab und auch über die nächsten Schritte sprach, die er bei der Untersuchung der Oberfläche des Kraters Jezero unternehmen wird. Dieser Krater war einst ein See und könnte die Heimat uralten mikrobiellen Lebens werden.

Wissenschaftler müssen noch viel über den Roten Planeten lernen. „Sie besteht aus den gleichen Bausteinen wie die Erde, aber ganz anders“, sagt Sanne Cottaar, Seismologin von der University of Cambridge, die für Sainz einen Artikel über drei neue Studien verfasst hat. - Es gibt viele Beweise dafür, dass die Entwicklung des Mars in vielerlei Hinsicht unterschiedlich war. Und jetzt, da Wissenschaftler das innere Bild der Schichten des Planeten erstellen, haben wir neue Möglichkeiten, zu verstehen, wie der Mars entstanden ist und wie er entstand.

Beim Vergleich zweier Planeten stellen sich viele interessante Fragen. Warum hat zum Beispiel die Erde ein Magnetfeld, während der Mars verschwunden zu sein scheint? Warum gibt es so viele Vulkane auf der Erde, und sie sind sehr verstreut, während die Vulkane auf dem Mars größer und konzentrierter sind? (Mit einem Durchmesser von 602 Kilometern und einer Höhe von knapp 26 Kilometern ist der Olymp der größte bekannte Vulkan im Sonnensystem.) Die Entstehung des Mars wurde wahrscheinlich von zahlreichen Katastrophen begleitet, doch jetzt ist auf seiner Oberfläche alles ruhig. Und im Gegensatz zur Erde gibt es wenig vulkanische Aktivität. (Im Mai legten Wissenschaftler jedoch Beweise für solche jüngsten Aktivitäten vor.) Nur durch einen tieferen Blick unter die Oberfläche werden die Forscher in der Lage sein, solche Merkwürdigkeiten des Mars und zusammen mit den Merkmalen einer ähnlichen Erde besser zu verstehen.

Aber bevor wir uns in die Lawine dieser wissenschaftlichen Literatur stürzen, müssen wir einen kurzen Kurs über die Struktur des Mars und den Apparat "Insight" belegen, der ihn erforscht. Im Vergleich zur Erde ist der Rote Planet geologisch recht ruhig. Da unser Planet tektonische Platten hat, die riesige Landstücke sind, die sich über den darunter liegenden Mantel bewegen, explodiert seine Oberfläche buchstäblich mit Aktivitäten wie Vulkanen und katastrophalen Erdbeben. Auf dem Mars gibt es keine tektonischen Platten, da sich sein Kern zu Beginn der Existenz des Roten Planeten schnell bildete und abkühlte. Heute wird der Mars von kleinen Erschütterungen erschüttert, wahrscheinlich verursacht durch das Schrumpfen eines sich abkühlenden Planeten.

Die Aufgabe des Insight-Landers ist es, solche Marsbeben mit einem Seismometer aufzuspüren, was er seit Februar 2019 tut. Dieses Instrument liefert Wissenschaftlern eine außergewöhnlich reiche Vielfalt an seismischen Daten, insbesondere für zwei Phänomene - P-Wellen (Kompressionswellen) und S-Wellen (Scherwellen), die als Folge von Marsbeben auftreten. „P-Wellen sind seismische Longitudinalwellen, wie Schall in der Luft, und sie sind die schnellsten Wellen, die sich durch planetare Körper ausbreiten“, sagt Brigitte Knapmeyer-Endrun, Seismologin an der Universität zu Köln und Erstautorin der Studie über Modellieren der Marsrinde. „Wir haben auch Sekundärwellen, S-Wellen oder Scherwellen. Diese Bewegung gleicht eher dem Zittern von Gitarrensaiten."

Entscheidend ist, dass S-Wellen langsamer sind als P-Wellen. Wenn also ein Marsbeben auftritt, registriert das Insight Sondenseismometer diese etwas später. „Der Unterschied zwischen dem Auftreten von S-Wellen und P-Wellen gibt uns eine Vorstellung vom Ort seismischer Aktivität, wie weit sie von unserer Station entfernt ist“, sagt Knapmeier-Endrun. Diese Wellen unterscheiden sich auch je nach Medium, das sie durchlaufen und von dem sie reflektiert werden. P-Wellen passieren feste Gesteine, Flüssigkeiten und Gase und S-Wellen nur durch feste Gesteine.

Durch die Analyse der Wellen, die das Insight-Seismometer erreichen, können sich Wissenschaftler ein Bild von der inneren Zusammensetzung des Mars machen. Da S-Wellen den flüssigen Kern nicht durchdringen können, wird ihre gesamte Energie vollständig von der Kern-Mantel-Grenze reflektiert. Betrachten Sie es als binär für Computer. Nur zwei Elemente, Einsen und Nullen, können zu einer äußerst komplexen Programmierung kombiniert werden. Ebenso kombinieren sich die beiden Arten von Wellen, um ein komplexes Bild der Eingeweide des Mars zu zeichnen. „Wir schauen uns auch den Unterschied in der Ankunftszeit an, mit dem wir die Dicke einer bestimmten Schicht bestimmen können“, sagt Knapmeier-Endrun.

Mit solchen Methoden konnten sie und ihre Kollegen die Dicke der Rinde bestimmen. Zuvor mussten Wissenschaftler umlaufende Satelliten verwenden, um Unterschiede in der Schwerkraft und topografischen Eigenschaften auf dem Planeten zu messen. Auf diese Weise versuchten sie, die Dicke der Kruste zu bestimmen und kamen schließlich zu dem Schluss, dass es im Durchschnitt 110 Kilometer sind: „Jetzt, wo die Messungen von innen vorgenommen werden, können wir sagen, dass dies eine deutliche Übertreibung war“, sagt Knapmeier -Endlauf. Wissenschaftler gehen nun davon aus, dass die durchschnittliche Krustendicke höchstens 72 Kilometer beträgt.

Forscher glauben, dass diese Kruste aus zwei oder drei Schichten besteht. Dort befindet sich die oberste 10 Kilometer dicke Schicht, die sich nach Insight-Messungen als unerwartet leicht herausstellte. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass es sich um Schotter handelt, der beim Einschlag von Meteoriten übrig geblieben ist. Die darunter liegende Schicht sinkt bis in eine Tiefe von etwa 20 Kilometern ab. „Wir sind uns leider nicht sicher, was als nächstes da ist, nur der Mantel oder sogar die dritte Schicht der Kruste. In dieser Hinsicht gibt es eine gewisse Unsicherheit, die wir noch nicht lösen konnten, sagt Knapmeier-Endrun. "Wir können mit Sicherheit sagen, dass die Kruste nicht so dick ist wie bisher angenommen, und dass ihre Dichte geringer ist."

Der Planetenseismologe Simon Stähler von der Schweizerischen Höheren Technischen Hochschule Zürich hat die Erforschung des heißesten Inneren des Mars, seines Kerns, angeführt. Obwohl Stehlers Team keine Möglichkeit hat, in den zentralen Teil des Planeten zu schauen, konnten die Forscher einige Informationen gewinnen, indem sie S-Wellen analysierten, die von der Grenze zwischen Kern und Mantel reflektiert wurden. Diese Schwingungen, die nicht in den flüssigen Marskern eindringen können, kehren an die Oberfläche zurück und werden dort von Insight-Empfängern erfasst. „Es dauert satte 10 Minuten“, sagt Stehler und bezieht sich auf die Zeit vom Marsbeben bis zu der Zeit, die der Kern braucht, um das Signal einzufangen.Durch die Messung dieses Zeitintervalls ermittelte sein Team die Eindringtiefe der Welle und maß auf dieser Grundlage die Tiefe des Kerns selbst. Es stellte sich heraus, dass er etwa 1.550 Kilometer unter der Oberfläche beginnt.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Kerndichte mit nur 6 Gramm pro Kubikzentimeter überraschend niedrig ist. Das ist viel weniger, als sie von einem eisenreichen Marszentrum erwartet hatten. „Warum der Kern so leicht ist, ist uns immer noch ein Rätsel“, sagt Stehler. Es sollte sicherlich leichtere Elemente geben, wobei nicht klar ist, welche. Er und sein Team hoffen, im Laufe der Zeit die durch das Marsbeben entstandenen P-Wellen auf der gegenüberliegenden Seite des Planeten, direkt gegenüber dem Ort, an dem sich Insight befindet, aufzuzeichnen. Da diese Wellen die Grenze zwischen Kern und Mantel durchdringen können, geben sie dem Empfänger des Landers Informationen über die Zusammensetzung des Marskerns. Aber damit das funktioniert, erklärt Stehler: "Der Mars muss uns auf halbem Weg treffen und auf der anderen Seite des Planeten ein solches Beben verursachen."

In ihrer wissenschaftlichen Arbeit berichtet das Stehler-Team, dass der Radius des Kerns 1830 Kilometer beträgt. Ein anderes Team unter der Leitung von Amir Khan, einem Geophysiker der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, stellte fest, dass diese Größe so groß ist, dass der Mantel sehr wenig Platz hat, wie im Inneren der Erde. Diese Schicht, die den Kern umgibt, übernimmt die Wärmeeinfangaufgabe. Der Erdmantel ist in zwei Teile geteilt, zwischen denen sich eine sogenannte Übergangszone befindet. Die obere und untere Schicht bestehen aus unterschiedlichen Mineralien. „Der Mantel des Mars – ich sage das etwas respektlos – ist eine vereinfachte Version des Erdmantels, gemessen an seiner mineralogischen Zusammensetzung“, sagt Khan, der Hauptautor der Arbeit zur Beschreibung des Marsmantels wurde.

Frühere Schätzungen des Kernradius wurden anhand geochemischer und geophysikalischer Daten vorgenommen und zeigten das Fehlen der unteren Mantelschicht. Um dies zu bestätigen, benötigten die Wissenschaftler seismologische Daten von Insight. Sie wurden zum Schlüssel zum Verständnis der Entwicklung des Roten Planeten, insbesondere warum er sein Magnetfeld verlor, das die Atmosphäre und mögliches Leben vor den rauen Sonnenwinden schützen würde. Damit ein Magnetfeld entsteht, ist eine Temperaturdifferenz zwischen den äußeren und inneren Teilen des Kerns erforderlich. Sie muss groß genug sein, um zirkulierende Strömungen zu erzeugen, die das Kernfluid umrühren und die Bildung eines Magnetfeldes fördern. Aber der Kern des Mars kühlte so schnell ab, dass diese Konvektionsströme erloschen.

Khans Analyse zeigt auch, dass der Mars eine dicke Lithosphäre hat, wie der harte und kalte Mantel genannt wird. Dies könnte eine Antwort auf die Frage geben, warum der Rote Planet keine tektonischen Platten hat, die eine starke vulkanische Aktivität auf der Erde hervorrufen. „Wenn es eine sehr dicke Lithosphäre gibt, ist es extrem schwierig, sie zu zerlegen, um eine Art tektonischer Platten auf der Erde zu schaffen“, erklärt Khan. "Sie waren vielleicht schon früh auf dem Mars, aber jetzt haben sie sich definitiv geschlossen."

Während Insight die inneren Schwingungen des Mars „belauscht“, dann sucht Perseverance auf seiner staubigen Oberfläche nach Spuren uralten Lebens in den Gesteinen, bestimmt die Orte, an denen Proben der Oberflächenschicht gesammelt werden, und studiert die geologische Geschichte von Jezero. "Erkundung ist kein Sprint, sondern ein Marathon", sagte Thomas Zurbuchen, stellvertretender wissenschaftlicher Leiter der NASA, am Mittwoch auf einer Pressekonferenz zu den frühen Erfolgen des Rovers auf dem Roten Planeten. "Beharrlichkeit ist nur ein Schritt auf einer langen und sorgfältig geplanten Reise zur Erforschung des Mars, die in den kommenden Jahren Roboter- und menschliche Anstrengungen vereinen wird."

Auf einer Pressekonferenz sprachen Wissenschaftler darüber, was Perseverance auf seinen Reisen macht.„Die Herausforderung besteht darin, genau herauszufinden, in welche Richtung wir gehen wollen und wie wir alles in unseren Zeitplan einpassen“, sagte Vivian Sun vom Jet Propulsion Laboratory der NASA, eine dortige Systemingenieurin. Ihren Angaben zufolge beschlossen die Wissenschaftler, Perseverance etwa einen Kilometer südlich des Landeplatzes zu schicken, um die ersten Gesteinsproben zu sammeln. Die gesammelten Proben werden im Körper des Rovers gespeichert und dann auf die Oberfläche des Planeten gelegt, um sie anschließend bei einem Rückflug zur Erde zu transportieren.

Perseverance ist mit einem zwei Meter langen Roboterarm mit einer Reihe neuer Geräte ausgestattet, darunter ein Technologiedemonstrator namens MOXIE, um die Möglichkeit zu testen, Sauerstoff aus der Atmosphäre des Mars zu erzeugen. Es hat bereits seine Fähigkeit bewiesen, geringe Mengen atmosphärischen Kohlendioxids in Sauerstoff umzuwandeln. Dazu kommen Sensoren zur Einschätzung des aktuellen Klimas und hochauflösende Kameras zur Erfassung der Umgebung des Rovers. „Wir werden nur von den Staubteufeln gefoltert“, sagte Caltech-Geochemiker Ken Farley. Das sind wirklich teuflische Windböen, die, wie er sagt, irdischen sehr ähnlich sind.

Einige Felsen auf den Fotos ähneln gehärtetem Seeschlamm. Dies weist darauf hin, dass man dort nach Spuren des vergangenen Lebens in Form von versteinerten biologischen Zeichen suchen sollte. Wissenschaftler wollen auch verstehen, ob die Gesteine ​​im Krater sedimentären oder vulkanischen Ursprungs sind. Wenn dies die Überreste von vulkanischen Emissionen sind, können Sie mit Hilfe der Radiometrie ihr Alter bestimmen. Dies wird ein besseres Verständnis der geologischen Geschichte der von Perseverance gesammelten Materialien ermöglichen. Farley sagt, dass das bisher überraschendste Ergebnis Anzeichen von Sturzfluten und Veränderungen des Wasserstands sind. Dies deutet darauf hin, dass der Krater mehrere Stadien des Trocknens und Füllens mit Wasser in flüssigem Zustand durchlaufen hat.

Bewaffnet mit neuer Software, die auf künstlicher Intelligenz basiert, brach Perseverance auch den Rekord für Rover, sich unabhängig über die Oberfläche des Planeten zu bewegen, und zwar am zweiten Tag der autonomen Bewegung. „Der autonome Antrieb ist heute fast so schnell wie die vom Menschen angetriebene Bewegung“, sagte Olivier Toupet, Robotikingenieur des Jet Propulsion Laboratory. Ein Mensch kann einen Rover fernsteuern, indem er ihn etwa 30 Meter pro Tag bewegt. Er führt sorgfältig kalibrierte Manöver durch, vermeidet Hindernisse, und künstliche Intelligenz ermöglicht es Ihnen, die Geschwindigkeit des Geräts zu erhöhen. Die Software erstellt eine dreidimensionale Karte der Oberfläche, auf der das Fahrzeug fährt, und kann so seine Route in Echtzeit optimieren und aktualisieren. Laut Toupe beträgt die maximale autonom zurückgelegte Entfernung auf dem Mars etwa 107 Meter. Wissenschaftler erwarten, dass sich diese Zahl in den nächsten Wochen vervierfachen wird.

Nach Abschluss einer Südflanke wird die Perseverance nach Nordwesten zum Delta des alten Flusses fahren, der einst sein Wasser zum Jezero-Krater führte. Anschließend wird er die Instrumente an Bord voll nutzen, um die chemische und mineralogische Zusammensetzung der lokalen Marsgesteine ​​sowie deren Form und Textur zu bestimmen. Diese Informationen werden Wissenschaftlern helfen, mehr über den alten Wasserlauf dieses Beckens zu erfahren.

Und der mehrere tausend Kilometer entfernte "Insight" wird weiterhin unterirdische Erschütterungen registrieren und die innere Struktur dieses Gesteinsplaneten enthüllen, die Wissenschaftler seismologisch charakterisieren konnten. „Das ist ein sehr junges Forschungsgebiet für die Menschheit“, sagt Kottar. „Wir schauen viel länger auf die Sterne als auf unsere Füße.“

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