Ukryty gigant pod powierzchnią Marsa przyspiesza obrót czerwonej planety

Dzień na Marsie robi się odrobinę krótszy, a naukowcy coraz poważniej biorą pod uwagę wyjaśnienie, które brzmi jak scenariusz SF.

Nowe analizy danych z misji NASA InSight i pomiarów grawitacji wskazują, że głęboko pod monumentalnym płaskowyżem Tharsis może unosić się ogromna, lżejsza od otoczenia masa gorącego materiału. To wewnętrzne przetasowanie ciężaru Marsa wystarcza, by z roku na rok delikatnie przyspieszać obrót planety.

Mars przyspiesza obrót: jak bardzo zmienia się jego dzień

Planety zwykle kojarzą się ze stabilnością: krążą po orbitach, obracają się, a wszystko to wydaje się niezmienne w ludzkiej skali czasu. W przypadku Marsa obraz ten powoli się kruszy. Precyzyjne pomiary radiowe z lądownika InSight pokazały, że doba na Czerwonej Planecie skraca się o około 7,6 × 10⁻⁴ milisekundy rocznie .

To liczba tak mała, że dla człowieka właściwie nieistniejąca. Na przestrzeni tysiąca lat oznacza mniej niż jedną tysięczną sekundy różnicy. Dla geofizyków to sygnał, że w głębi Marsa coś się porusza i zmienia rozkład masy planety.

Mars nie jest całkiem martwy geologicznie – delikatne przyspieszenie obrotu wskazuje, że wnętrze wciąż pozostaje dynamiczne.

Z punktu widzenia fizyki mechanizm jest prosty. Kiedy masa wewnątrz ciała obracającego się zbliża się do osi obrotu, jego moment bezwładności maleje, więc rotacja przyspiesza. To dokładnie to samo, co robi łyżwiarz, który składa ręce i zaczyna kręcić się szybciej. Na Marsie „składaniem rąk” jest powolne przemieszczanie się ogromnych mas skał i magmy w głębokim płaszczu.

Tharsis – wulkaniczny kolos, który odciska piętno na całej planecie

Aby zrozumieć nowe wyniki, trzeba spojrzeć na jeden z najbardziej imponujących regionów Układu Słonecznego: Tharsis . To gigantyczny płaskowyż wulkaniczny, mniej więcej wielkości Afryki, na którym wyrastają największe znane wulkany tarczowe. Olympus Mons ma około 21 km wysokości i kilkaset kilometrów średnicy podstawy.

Ta struktura tak mocno obciążyła skorupę Marsa, że w przeszłości dosłownie przesunęła oś obrotu planety. Dla orbitujących sond Tharsis stanowi masywną „górkę” grawitacyjną. Satelity przyspieszają, gdy nad nią przelatują, a potem lekko zwalniają, gdy się oddalają. Z tych subtelnych zmian można odtworzyć rozkład masy we wnętrzu planety.

Najnowsze modelowanie połączyło dane grawitacyjne z zapisami marsowskich „trzęsień ziemi”, które zarejestrował sejsmometr InSight. Taka kombinacja pozwala zajrzeć głębiej niż dotychczas i oddzielić wpływ skorupy, litosfery oraz płaszcza.

Co dzieje się 1200 kilometrów pod powierzchnią

Badacze z Delft University of Technology i Uniwersytetu w Utrechcie stworzyli serię modeli wnętrza Marsa, zmieniając m.in. grubość skorupy, jej gęstość, sztywność litosfery czy temperaturę płaszcza. Mimo setek wariantów, jeden problem wracał jak bumerang: bez dodatkowego elementu nie dało się wytłumaczyć pewnej „dziury” w danych grawitacyjnych wokół Tharsis .

Rozwiązaniem okazało się wprowadzenie do modelu ogromnego „bąbla” lżejszej materii głęboko w płaszczu. Najlepiej dopasowany scenariusz opisuje strukturę:

• położoną na głębokości około 1200 km ,
• o średnicy mniej więcej 1500 km ,
• grubości około 400 km ,
• o gęstości mniejszej o ~60 kg/m³ niż otaczający płaszcz.

To coś na kształt gigantycznego dysku gorącej, lżejszej skały, zajmującego około trzy czwarte odległości od powierzchni do granicy z jądrem planety. W takim ujęciu Tharsis nie jest tylko „blizną” po dawnym wulkanizmie, ale wierzchołkiem znacznie głębszej struktury.

Ogromna masa lżejszego materiału zachowuje się jak gigantyczna bąbelka w gęstym płaszczu, która w skali milionów lat powoli unosi się ku górze.

Kiedy ten bąbel przesuwa się i deformuje, subtelnie zmienia rozkład masy we wnętrzu. Część materiału przemieszcza się bliżej osi obrotu Marsa, co wystarcza, by w długiej perspektywie przyspieszyć rotację planety. Wyliczone przez badaczy efekty zgadzają się z wartościami zmierzonej zmiany długości marsjańskiego dnia.

Jak InSight „zobaczył” to, czego nie ma na zdjęciach

Kluczem do przełomu okazały się dane sejsmiczne z misji NASA InSight, która wylądowała na Marsie w 2018 roku. Zanim lądownik zaczął rejestrować drgania gruntu, naukowcy musieli zgadywać, jak gruba jest skorupa planety czy gdzie dokładnie przebiega granica między litosferą a głębszym płaszczem.

InSight dostarczył twardych liczb. Analiza fal sejsmicznych pozwoliła oszacować:

Z takimi danymi można już dużo precyzyjniej modelować, jak ugina się skorupa pod ciężarem ogromnych struktur, takich jak Tharsis, i jak płaszcz reaguje na długotrwałe obciążenie. Po połączeniu elastycznego ugięcia litosfery z konwekcją w płaszczu udało się uzyskać mapę grawitacyjną Marsa, która bardzo dobrze pasuje do pomiarów satelitów. Z jednym wyjątkiem: sygnałem resztkowym pod Tharsis, który wymaga istnienia opisanego wcześniej bąbla lżejszej materii.

Mars może wciąż tlić się wulkanicznie

Przez lata dominował obraz Marsa jako planety „zgaszonej”, gdzie wulkany od dawna nie wybuchają, a wnętrze zdążyło ostygnąć. Nowa interpretacja stawia ten obraz pod znakiem zapytania. Gdyby głęboki bąbel pod Tharsis był pozostałością aktywnego pióropusza płaszczowego, Mars wciąż może prowadzić wewnętrzną „cyrkulację” materii.

Geolodzy zwracają uwagę, że zapis skał marsjańskich nie wyklucza stosunkowo niedawnych erupcji. Niektóre meteoryty pochodzące z Marsa – tzw. shergotyty – wskazują na procesy magmowe, które mogły zachodzić setki milionów, a może nawet dziesiątki milionów lat temu. W skali geologicznej to mgnienie oka.

Jeśli pod Tharsis rzeczywiście działa pióropusz płaszczowy, uśpione dziś wulkany mogą kiedyś znów się obudzić.

Nie oznacza to spektakularnych wybuchów „jutro”. Chodzi o procesy liczone w milionach lat, ale dla zrozumienia ewolucji planet skalistych to informacja pierwszej wagi. Pokazuje, że planeta o rozmiarach Marsa może utrzymywać głęboką dynamikę znacznie dłużej, niż dotąd zakładano.

Dlaczego przyspieszający Mars interesuje nas na Ziemi

Zmiana długości dnia o ułamek milisekundy nie wpływa na przyszłe misje załogowe ani na łaziki. Dla inżynierów to niemal nieistniejąca różnica. Dla naukowców zajmujących się ewolucją planet skalistych to z kolei wyjątkowe laboratorium porównawcze.

Zestawienie Ziemi, Marsa i Wenus pokazuje trzy skrajnie różne ścieżki rozwoju planet o podobnej budowie ogólnej. Ziemia utrzymuje aktywną tektonikę płyt, gęstą atmosferę i płynne oceany. Wenus ma gęstą, piekielnie gorącą atmosferę i być może inny rodzaj wewnętrznej konwekcji. Mars wydawał się „zamarzniętym” biegunem tego spektrum. Nowe wyniki sugerują raczej, że proces wygaszania wcale nie jest tak prosty.

Jeśli pióropusze płaszczowe potrafią przetrwać w stosunkowo małej, zimnej planecie przez miliardy lat, to modele opisujące chłodzenie i „śmierć” wnętrza planet trzeba będzie zaktualizować. To ma bezpośredni związek z pytaniem, jak długo planeta jest w stanie utrzymać warunki sprzyjające wodzie w stanie ciekłym i potencjalnemu życiu.

Co musiałaby zrobić kolejna misja na Marsa

Autorzy analizy zwracają uwagę, że obecne dane wystarczają, aby zbudować spójny scenariusz, ale nie pozwalają jeszcze odetchnąć z przekonaniem: „na pewno tak jest”. Wymieniane są dwa kluczowe typy przyszłych pomiarów:

• precyzyjne mapowanie grawitacji w czasie – orbiter śledzący drobne zmiany pola grawitacyjnego Marsa przez wiele lat mógłby pokazać, czy struktura pod Tharsis faktycznie się przemieszcza;
• rozszerzona sieć sejsmometrów – kilka lądowników rejestrujących drgania gruntu na różnych kontynentach planety pozwoliłoby zbudować znacznie dokładniejszy trójwymiarowy obraz wnętrza.

Takie misje nie są efektowne wizualnie – nie wysyłają łazików, nie wiercą w poszukiwaniu lodu. Z naukowego punktu widzenia mogą jednak przesądzić o tym, jak opisujemy ewolucję Marsa i innych planet skalistych w całym Układzie Słonecznym.

Co oznacza „pióropusz płaszczowy” i dlaczego tyle zmienia

W geologii pióropuszem płaszczowym nazywa się długotrwały, wznoszący się strumień gorącej materii, który startuje głęboko w pobliżu jądra planety i z czasem dociera pod skorupę. Na Ziemi przykładem jest obszar pod Islandią czy Hawajami. Tam, gdzie taki strumień trafia pod skorupę, łatwiej dochodzi do powstawania magmy i rozległych wulkanów tarczowych.

Jeśli Mars wciąż ma aktywny pióropusz pod Tharsis, oznacza to, że jego płaszcz nie zastygł całkowicie, a procesy konwekcyjne nadal przenoszą ciepło z głębi ku powierzchni. Nawet jeśli erupcje są dziś rzadkie lub nie występują, przepływ ciepła wpływa na ewolucję skorupy, pola magnetycznego i potencjalnych zasobów, z których w przyszłości mogliby korzystać ludzie.

Przyspieszający obrót Marsa okazuje się więc czymś więcej niż ciekawostką z działu „kosmos”. To subtelny, ale namacalny objaw tego, że pod rdzawą, pozornie nieruchomą powierzchnią wciąż pracuje niewidoczna, głęboka geologia. Dla nauki to zaproszenie, by przyglądać się tej planecie nie jak skamielinie, lecz jak ciału wciąż w ruchu – dosłownie i w przenośni.