Een nieuwe kijk op het hart van Mars

Seismische golven kunnen de aard van de kern van een planeet onthullen. Meetgegevens van NASA’s Mars InSight-sonde gaven de eerste meer gedetailleerde inzichten in de innerlijke werking van Mars. De kern van de Rode Planeet is dus waarschijnlijk behoorlijk vloeibaar en iets kleiner en dichter dan eerder werd gedacht – met een straal van 1.780 tot 1.810 kilometer. Bovendien bevat het vloeibare ijzer in de kern van Mars lichtere elementen zoals zwavel, zuurstof, koolstof en waterstof dan de vloeibare kern van de aarde: ze kunnen 20 tot 22 procent van het gewicht uitmaken, meldde het onderzoeksteam.

Hoewel Mars onze naburige planeet is en in zijn vroege dagen in veel opzichten op de aarde leek, weten we heel weinig over de innerlijke werking ervan. Het lijkt duidelijk dat de samenstelling in wezen vergelijkbaar is met die van de aarde en een vergelijkbare gelaagde structuur heeft die bestaat uit een ijzerrijke kern, een silicaatrijke mantel en korst. Lange tijd konden planetaire onderzoekers de dikte, samenstelling en structuur van deze lagen echter slechts globaal inschatten, onder meer met behulp van modellen en meetgegevens van in een baan om de aarde draaiende sondes. Dat veranderde alleen met NASA’s Mars InSight-ruimtesonde, die in november 2018 op Mars landde. Omdat de seismometer meer dan 1.300 aardbevingen registreerde in zijn vier jaar durende operatie, waaronder enkele van de inslagen van meteorieten. De looptijd en vorm van deze golven maken het mogelijk conclusies te trekken over de aard, dichtheid en temperatuur van het materiaal waar deze seismische signalen doorheen gingen.

Twee seismische gebeurtenissen vergezeld van nucleaire golven

In de zomer van 2021 creëerden wetenschappers op basis van deze gegevens het eerste anatomiemodel van Mars. Op dat moment ontbraken echter belangrijke meetgegevens om de samenstelling en omvang van de Marskern nauwkeuriger te kunnen bepalen. Dit vereiste seismische golven van de andere kant van Mars, die rechtstreeks door de kern gingen op weg naar de InSight-seismometer. “Dergelijke evenementen op lange afstand zijn moeilijk te detecteren omdat ze onderweg zoveel energie verliezen”, legt hoofdauteur Jesica Irving van de Universiteit van Bristol uit. “We hadden veel geluk en ervaring nodig om deze gebeurtenissen vast te leggen.” Slechts ongeveer drie jaar later – op missiedag 976 en dag 1000 – detecteerde de seismometer twee van deze signalen die door de kern gingen.

“Het is de eerste keer dat we seismische golven hebben opgevangen die door de kern van een andere planeet zijn gegaan”, zei Irving. Het eerste seismische signaal kwam van de sterkste aardbeving ooit gemeten tijdens de hele Mars Insight-missie. De tweede seismische piek werd veroorzaakt door een meteorietinslag aan de andere kant van Mars. “Dit tweede signaal was bijzonder nuttig omdat we precies wisten waar de seismische golven vandaan kwamen”, legt Irving uit. Het kostte echter veel moeite en expertise in seismologie om zwakke fundamentele golven uit de talloze achtergrondruis en complexe seismogrammen te extraheren en te analyseren.

Meer lichtelementen in het hart van Mars

De resultaten van de seismische analyses zijn nu beschikbaar. “Dankzij Mars InSight kunnen we eindelijk begrijpen hoe het centrum van Mars eruit ziet en waarom het zo op elkaar lijkt maar toch zo verschilt van de aarde”, zegt co-auteur Vedran Likic van de Universiteit van Maryland. Volgens nieuwe gegevens is de kern van Mars waarschijnlijk vloeibaar en heeft deze, in tegenstelling tot de aarde, geen vaste binnenste metalen kern. De straal van de kern van Mars ligt tussen 1.780 en 1.810 kilometer – dus het is niet eens de helft van de kern van de aarde en ongeveer 20 kilometer minder dan wat in 2021 werd geschat, meldde het team. Ook zijn er nieuwe waarden voor de dichtheid van de Marskern: op 6,16 tot 6,35 gram per kubieke centimeter, wat iets hoger is dan de eerder ingestelde waarde van 6,0 gram per kubieke centimeter. Uit deze dichtheid en uit de voortplantingstijden van seismische golven konden wetenschappers ook nieuwe informatie verkrijgen over de chemische samenstelling van de kern van Mars.

“Deze voorlopige metingen van de elastische eigenschappen van de kern van Mars hielpen ons de samenstelling ervan te bepalen”, zegt Irving. Tot nu toe gingen planetaire onderzoekers ervan uit dat de kern van Mars bestond uit vloeibaar ijzer vermengd met kleine hoeveelheden zwavel. De nieuwe meetgegevens geven echter aan dat er ook andere lichte elementen in de kern van Mars moeten zijn – en dat het totale aandeel van deze elementen relatief hoog is: “We concluderen dat de kern van Mars gemiddeld 20,3 tot 21,4 gewichtsprocent heeft van de lichte elementen, rapport van Irving en collega’s. “Daarom bevat de vloeibare buitenkern van de aarde slechts ongeveer de helft van de hoeveelheid lichte elementen als de kern van Mars.” Deze exacte componenten kunnen niet alleen op basis van seismische gegevens worden bepaald. Op basis van de samenstelling van de mantel van Mars en geofysische modellen gaan wetenschappers er echter van uit dat zwavel de meerderheid vormt van deze basische ijzermengsels, met ongeveer 16,5 gewichtsprocent. Kleine hoeveelheden zuurstof, koolstof en waterstof zijn ook aanwezig.

“Deze nieuwe bevindingen zijn belangrijk om te begrijpen hoe de vorming en evolutie van Mars verschilt van die van de aarde”, zegt Irving. Want hoewel beide planeten vergelijkbare startcondities hebben, vertonen ze fundamentele verschillen. De aarde heeft bijvoorbeeld een magnetisch veld en platentektoniek, terwijl Mars dat niet heeft.

Bron: Jessica Irving (University of Bristol) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.2217090120

© wissenschaft.de – Nadia Podbrigar