Mars przyspiesza obrót. Winny może być ukryty gigantyczny wulkan

Mars od lat uchodził za skamieniałą, martwą planetę.

Nowe dane sugerują jednak, że w jej wnętrzu wciąż coś pracuje.

Precyzyjne pomiary sond i sejsmometru misji InSight pokazują, że doba na Marsie powoli się skraca. Naukowcy łączą to z potężną strukturą ukrytą głęboko pod największym kompleksem wulkanicznym planety. Jeśli te wyliczenia się potwierdzą, obraz spokojnej, „wygasłej” planety zacznie się sypać.

Mars kręci się coraz szybciej: co dokładnie się dzieje

Od lat 70., jeszcze od czasów misji Viking, badacze bardzo dokładnie śledzą tempo obrotu Marsa wokół własnej osi. Seria pomiarów z ostatnich dekad pokazała zaskakujący trend: doba marsjańska delikatnie się skraca. Różnica jest mikroskopijna – rzędu tysięcznych części milisekundy rocznie – ale pomiar jest powtarzalny i potwierdzony w 2023 roku na podstawie danych radiowych z misji InSight.

Przeczytaj również: Dane z łazika Curiosity zmuszają naukowców do jednej odpowiedzi o Marsie

Na skalę jednego ludzkiego życia to efekt wręcz śmiesznie mały. W geologicznej perspektywie oznacza jednak, że we wnętrzu planety zaszła realna zmiana. Żeby ciało niebieskie zaczęło obracać się szybciej, musi się zmienić sposób rozmieszczenia jego masy. Mechanizm jest ten sam, który każdy widział na lodowisku: łyżwiarz z wyciągniętymi rękami obraca się wolniej, gdy przyciągnie je do ciała – gwałtownie przyspiesza. Planeta działa podobnie, tylko zamiast rąk mamy skały i magmę.

Mars najprawdopodobniej przyspiesza dlatego, że część jego wnętrza przemieszcza się bliżej osi obrotu, zmniejszając tzw. moment bezwładności.

Zespół geofizyków z Delft i Utrechtu postanowił sprawdzić, czy da się wskazać konkretną strukturę odpowiedzialną za ten efekt. Sięgnęli po globalne mapy przyciągania grawitacyjnego Marsa oraz dane sejsmiczne z InSight, które wreszcie pozwoliły ustalić grubość skorupy, własności płaszcza i stan jądra planety. Po połączeniu wszystkiego w jednym modelu coś się nie zgadzało… i właśnie to „coś” okazało się najbardziej interesujące.

Przeczytaj również: Meteoryt z Sahary skrywa ziarna starsze od Słońca. Naukowcy są zaskoczeni

Tharsis – wulkaniczny potwór, który wciąż może żyć

Klucz do zagadki leży pod Tharsis – gigantycznym płaskowyżem, który dominuje na mapach Marsa. To obszar wielkości mniej więcej Afryki, usiany ogromnymi wulkanami tarczowymi. Najsłynniejszy z nich, Olympus Mons, wznosi się na ponad 21 kilometrów. Sama masa tego regionu kiedyś dosłownie przechyliła całą planetę, przesuwając jej oś obrotu.

Orbitujące sondy od dawna widzą, że Tharsis znacząco deformuje pole grawitacyjne Marsa. Satelity przyspieszają, gdy przelatują nad tym rejonem, i lekko zwalniają, gdy go mijają. Analiza tych „szarpnięć” pozwala policzyć, jak rozkłada się masa pod powierzchnią. Naukowcy potrafią to modelować, uwzględniając grubość i sztywność skorupy oraz zachowanie głębszych warstw. Przy Tharsis od lat coś im się nie kleiło.

Przeczytaj również: Gigantyczna mapa radiowa kosmosu ujawnia tajemnice czarnych dziur

Nowa praca pokazuje, że żadna realistyczna kombinacja parametrów skorupy nie jest w stanie odtworzyć obserwowanego kształtu pola grawitacyjnego. Problem znika dopiero wtedy, gdy do modelu dodamy coś jeszcze: rozległą, lżejszą od otoczenia masę, unoszącą się w górę w płaszczu planety.

Gorący bąbel w płaszczu Marsa

Autorzy opisują tę strukturę jako „dysk” mniej gęstego materiału, umieszczony około 1200 kilometrów pod powierzchnią, mniej więcej na trzy czwarte drogi do jądra. Według obliczeń:

• ma ona średnicę około 1500 kilometrów,
• grubość sięga mniej więcej 400 kilometrów,
• jest mniej gęsta od otaczającego płaszcza o około 60 kg na metr sześcienny,
• zajmuje obszar porównywalny z zachodnią Europą.

Tak lżejszy, cieplejszy materiał zachowuje się jak bąbel powietrza w wodzie – powoli unosi się ku górze. W geologii taki twór nazywamy panachem płaszcza, czyli pionowym strumieniem gorącej materii, który transportuje ciepło z głębi planety ku skorupie. Na Ziemi z panachami łączy się m.in. rejony Hawajów czy Islandii.

Model, który uwzględnia wznoszący się „bąbel” pod Tharsis, jednocześnie wyjaśnia kształt pola grawitacyjnego Marsa i pasuje do tempa przyspieszania jego obrotu.

Wychodzi więc na to, że Mars ma wciąż aktywny układ konwekcyjny w płaszczu, przynajmniej pod tym jednym obszarem. A to wywraca do góry nogami dotychczasowy obraz planety jako całkowicie zamarzniętej wulkanicznie.

Dlaczego misja InSight była przełomem

Przed lądowaniem InSight wiele parametrów wewnętrznej budowy Marsa można było tylko zgadywać. Różne zespoły przyjmowały zupełnie inne wartości grubości skorupy czy głębokości litosfery, a każdy z tych zestawów prowadził do innego obrazu wnętrza. Modele grawitacyjne w praktyce „pływały” po ogromnej przestrzeni możliwych rozwiązań.

Sejsmometr InSight zarejestrował fale przechodzące przez Marsa i pozwolił pierwszy raz bezpośrednio wyznaczyć takie wielkości jak:

Na tej podstawie da się już z dużo większą pewnością oszacować średnią grubość i gęstość całej skorupy oraz własności płaszcza. Nowy model globalnego pola grawitacyjnego Marsa, oparty na tych ograniczeniach, znacznie lepiej pasuje do danych z orbit. Co ważne, to właśnie w takim „usztywnionym” modelu wyraźnie widać resztkowy sygnał pod Tharsis – tego nie da się wytłumaczyć prostymi zmianami grubości skorupy.

Mars może być bardziej aktywny, niż sądziliśmy

Jeśli panach płaszcza pod Tharsis faktycznie istnieje i wciąż się przemieszcza, oznacza to, że wewnętrzny silnik Marsa nie zgasł całkowicie. Na powierzchni nie widzimy dziś wybuchających wulkanów, ale zapis w skałach i meteorytach sugeruje, że stosunkowo niedawno, w skali geologicznej, magma wciąż docierała do góry.

Do Ziemi spadają fragmenty marsjańskich skał, tzw. shergotyty. Analizy izotopowe wskazują, że część z nich zestaliła się z lawy zaledwie kilkadziesiąt milionów lat temu. Dla geologa to wczoraj. Wznoszący się panach mógł być źródłem takich późnych epizodów aktywności i wcale nie musi być jeszcze „wyłączony”.

Dla przyszłych misji załogowych to informacja o dwóch twarzach. Z jednej strony region Tharsis może kryć obszary geotermalne, w których łatwiej pozyskać ciepło czy znaleźć zamarzniętą, podgrzewaną wodę. Z drugiej – powolne ruchy w płaszczu oznaczają możliwość przyszłych trzęsień i epizodów wulkanizmu, co trzeba brać pod uwagę przy planowaniu kolonii czy infrastruktury.

Co trzeba zbadać, żeby rozwiać wątpliwości

Naukowcy podkreślają, że obecny obraz jest wciąż w dużym stopniu rekonstrukcją z pośrednich danych. Aby zyskać pewność, potrzebne będą kolejne misje, m.in.:

• precyzyjne sondy grawitacyjne na orbicie Marsa, mierzące drobne zmiany pola grawitacyjnego w czasie,
• nowe lądowniki sejsmiczne w różnych rejonach planety, aby lepiej „prześwietlić” płaszcz,
• orbiter radarowy zdolny do śledzenia deformacji powierzchni w rejonie Tharsis z dokładnością do milimetrów.

Ruszający się panach powinien bardzo powoli zmieniać kształt lokalnego pola grawitacyjnego i delikatnie podnosić lub opuszczać skorupę nad sobą. Ziemscy geofizycy mierzą takie ruchy np. w rejonach aktywnych wulkanów. Podobne pomiary na Marsie pozwoliłyby ostatecznie potwierdzić, czy pod Tharsis rzeczywiście wznosi się gorący „bąbel” płaszcza.

Dlaczego tempo obrotu Marsa interesuje nas na Ziemi

Na pierwszy rzut oka subtelne przyspieszanie obrotu obcej planety wydaje się ciekawostką dla garstki specjalistów. W praktyce dotyka znacznie szerszych zagadnień. Zrozumienie, jak długo mała, skalista planeta potrafi utrzymać aktywny płaszcz, wpływa na nasze myślenie o warunkach do powstania i utrzymania życia gdziekolwiek w kosmosie.

Ziemia, Wenus i Mars startowały z podobnego zestawu składników, a skończyły w trzech zupełnie różnych stanach. Na Ziemi wciąż działają tektonika płyt i intensywny wulkanizm. Wenus jest ekstremalnym, gorącym piekarnikiem. Mars długo uchodził za przykład planety, która szybko „zgasła” i utraciła ciepło. Jeżeli jego płaszcz nadal pracuje, trzeba na nowo przemyśleć, jaką drogą poszła ta planeta i czy okresy sprzyjające wodzie oraz ewentualnemu życiu nie trwały dłużej, niż sądziliśmy.

Dla planowania przyszłej obecności człowieka na Marsie liczy się coś jeszcze: przewidywalność. Stabilna, całkowicie martwa planeta to jedno. Ciało, w którym w głębi wciąż buzuje powolna konwekcja, to zupełnie inna klasa ryzyka i szans. Regiony związane z panachem mogą oferować łatwiejszy dostęp do ciepła i zasobów, ale wymagają dokładnego monitoringu i lepszego zrozumienia procesów wewnątrz planety.

W gruncie rzeczy historia z przyspieszającą dobą marsjańską pokazuje, jak bardzo jesteśmy uzależnieni od precyzyjnych, długotrwałych pomiarów. Z pozoru nieistotne ułamki milisekundy potrafią odsłonić ogromne, ukryte struktury w głębi obcej planety. A razem z nimi – zupełnie nowy obraz tego, z jakim miejscem mierzy się współczesna i przyszła kosmonautyka.