Mars przyspiesza obrót. Naukowcy podejrzewają ukryty superwulkan pod Tharsis

Doba na Marsie powoli się skraca, a winowajcą może być gigantyczna, gorąca struktura ukryta głęboko pod najsłynniejszymi marsjańskimi wulkanami.

Nowa analiza danych z misji NASA InSight i sond krążących wokół Czerwonej Planety sugeruje, że jej wnętrze wcale nie „zasnęło” na dobre. Coś ogromnego i lżejszego od otaczającej skały unosi się w płaszczu Marsa, zmienia rozkład masy planety i sprawia, że ta zaczyna obracać się minimalnie szybciej.

Mars przyspiesza obrót: ile naprawdę skraca się marsjański dzień?

Od czasów misji Viking w latach 70. XX wieku naukowcy mierzą prędkość obrotu Marsa z coraz większą dokładnością. Z biegiem lat okazało się, że doba na Czerwonej Planecie nie jest tak stała, jak sądzono. Z każdym rokiem staje się odrobinę krótsza – o około 7,6 × 10⁻⁴ milisekundy.

Dla człowieka to kompletnie nieodczuwalne. Po milionach lat daje jednak efekt, który specjaliści traktują już bardzo poważnie, bo świadczy o tym, że we wnętrzu Marsa wciąż dzieje się coś dynamicznego.

Mars skraca swój dzień o ułamki milisekundy rocznie, co wskazuje na powolny, ale realny proces zachodzący głęboko pod powierzchnią planety.

Skąd bierze się takie przyspieszenie? Fizyka tłumaczy to dość prosto: jeśli część masy planety przemieszcza się bliżej jej osi obrotu, tzw. moment bezwładności spada, a rotacja przyspiesza. Dokładnie tak samo jak w piruecie łyżwiarskim – gdy łyżwiarz przyciąga ręce do tułowia, zaczyna obracać się szybciej.

Ukryta struktura pod Tharsis: co wykazały modele wnętrza Marsa?

Kluczem do rozwiązania zagadki okazał się niezwykły rejon Tharsis – rozległy płaskowyż wulkaniczny, mniej więcej wielkości Afryki. To właśnie tam znajdują się największe znane wulkany w Układzie Słonecznym, w tym Olympus Mons o wysokości ponad 21 kilometrów.

Już wcześniej wiadomo było, że ogromna masa Tharsis deformuje lokalne pole grawitacyjne. Sondy krążące wokół Marsa delikatnie przyspieszają, gdy przelatują nad tą prowincją wulkaniczną, a potem zwalniają, kiedy ją mijają. Dotąd traktowano to jako „normalny” efekt dużej ilości skał nagromadzonych w jednym miejscu.

Najnowsze badania idą jednak głębiej – dosłownie. Zespół geofizyków z Holandii i Niemiec połączył bardzo dokładną mapę grawitacyjną Marsa z danymi sejsmicznymi z misji InSight. W symulacjach zmieniano grubość i gęstość skorupy, sztywność litosfery oraz inne parametry. Za każdym razem coś się nie zgadzało: obserwowane odchylenia w polu grawitacyjnym nad Tharsis pozostawały zbyt duże.

W końcu modele zaczęły pasować do rzeczywistych pomiarów dopiero wtedy, gdy badacze dodali w głębi planety dodatkową, „pływającą” strukturę – obszar skał o nieco mniejszej gęstości niż otaczający płaszcz.

Symulacje sugerują istnienie rozległego, gorącego „bąbla” w płaszczu Marsa, lżejszego o około 60 kg na metr sześcienny w porównaniu z otaczającym materiałem.

Jak wygląda ta tajemnicza struktura?

Według obliczeń ma ona imponujące rozmiary:

• głębokość centrum: około 1200 km pod powierzchnią,
• szerokość: około 1500 km,
• grubość: mniej więcej 400 km.

Można to sobie wyobrazić jako „dysk” gorącej, mniej gęstej materii, wielkości zachodniej Europy, zawieszony na trzy czwarte drogi między skorupą a jądrem planety. Tak jak bąbel powietrza w wodzie, ten lżejszy fragment płaszcza powoli się unosi. A gdy masa przemieszcza się w ten sposób, Mars odrobinę zmienia sposób, w jaki się obraca.

InSight – misja, która zajrzała pod powierzchnię Czerwonej Planety

Bez lądownika InSight ta historia najpewniej wciąż byłaby tylko luźną hipotezą. Misja NASA, która wylądowała na Marsie w 2018 roku, jako pierwsza rozstawiła na powierzchni precyzyjny sejsmometr. Dzięki rejestrowanym „marsotrzęsom” udało się wyznaczyć m.in. grubość skorupy i głębokość granicy między litosferą a głębszym płaszczem.

Z najważniejszych wniosków:

Takie „twarde” liczby pozwoliły ograniczyć liczbę wariantów modeli grawitacyjnych i sejsmicznych. Zamiast wielu równoważnych rozwiązań badacze dostali kilka bardzo konkretnych scenariuszy. Właśnie w nich regularnie pojawiał się ten sam element: głęboka, lżejsza strefa pod Tharsis, która zachowuje się jak klasyczny płaszczowy pióropusz, czyli wstępujący słup gorącej materii.

Czy Mars wciąż jest wulkanicznie żywy?

Jeśli interpretacja naukowców się potwierdzi, obraz Marsa jako całkowicie „martwej” planety trzeba będzie mocno odświeżyć. W geologii pióropusz płaszcza to zwykle zapowiedź lub pozostałość intensywnego wulkanizmu. Na Ziemi kojarzy się go z Hawajami czy Islandią – miejscami, gdzie gorący materiał z głębi unosi się i przebija przez skorupę.

W przypadku Marsa taki pióropusz świetnie pasuje do historii Tharsis. Ta prowincja wulkaniczna powstawała przez setki milionów lat, a jej gigantyczne wulkany wybuchały wielokrotnie. Analiza marsjańskich meteorytów, tzw. shergottytów, wskazuje, że część bazaltowych law, z których się wywodzą, zestaliła się stosunkowo niedawno w skali geologicznej – być może kilkaset milionów, a nie miliardy lat temu.

Gorący pióropusz unoszący się obecnie na głębokości około połowy płaszcza Marsa może być „silnikiem”, który okresowo zasilał wulkany Tharsis w przeszłości.

Nie znaczy to, że jutro zobaczymy na zdjęciach z orbitera dymiący Olympus Mons. Procesy w płaszczu postępują bardzo wolno, w tempie centymetrów rocznie. Sam fakt, że coś wciąż się unosi, oznacza jednak, że wnętrze Marsa nie jest zastygniętym na zawsze kamiennym klocem.

Jak to wszystko sprawdzić: czego brakuje naukowcom?

Geofizycy podkreślają, że obecne dane, choć mocne, wciąż zostawiają margines niepewności. Idealnym testem byłaby nowa misja poświęcona precyzyjnym pomiarom pola grawitacyjnego Marsa w czasie – coś w rodzaju analogii ziemskich satelitów GRACE, które śledzą zmiany rozkładu masy na naszej planecie.

Ruch ogromnej, lżejszej struktury w płaszczu powinien stopniowo „przekładać się” na delikatne, ale mierzalne korekty w kształcie pola grawitacyjnego. Jeśli uda się je zarejestrować z orbity i powiązać z dalszym przyspieszaniem obrotu planety, hipoteza pióropusza płaszczowego pod Tharsis zyska bardzo mocne potwierdzenie.

Dlaczego to ma znaczenie także dla Ziemi i przyszłych załóg na Marsie

Czerwony Glob jest jednym z trzech skalistych sąsiadów Ziemi, obok Wenus. Każda z tych planet przeszła inną drogę ewolucji. Ziemia nadal ma aktywną tektonikę płyt i intensywny wulkanizm, Wenus prawdopodobnie przeszła epizody potężnych erupcji pokrywających całą powierzchnię, a Mars wydawał się przekręcać „geologiczną kurtynę” dużo wcześniej.

Jeśli w płaszczu Marsa nadal działają gorące pióropusze, trzeba na nowo przyjrzeć się pytaniu, jak szybko rzeczywiście planeta „stygnie”. Tempo utraty ciepła wewnętrznego silnie wpływa na szanse na długotrwałą atmosferę, wodę w stanie ciekłym i ewentualne warunki sprzyjające życiu.

Dla przyszłych załogowych misji na Marsa taka wiedza nie jest jedynie akademicką ciekawostką. Aktywność wewnętrzna planety może mieć przełożenie na:

• rozmieszczenie naturalnych źródeł ciepła – np. gorących skał przydatnych do geotermii,
• stabilność gruntu w rejonach planowanych baz,
• lokalne złoża minerałów związane z dawno zakończonym, ale trwale odciśniętym w skałach wulkanizmem.

Choć Mars nie trzęsie się tak często jak Ziemia, pojedyncze zarejestrowane wstrząsy pokazały, że jego wnętrze wciąż „pracuje”. To dobra wiadomość dla naukowców: każda taka aktywność odsłania kolejne fragmenty marsjańskiej historii zapisanej pod powierzchnią.

Z perspektywy zwykłego obserwatora wizja planety, która minimalnie przyspiesza swój obrót z powodu unoszącego się głęboko „bąbla” gorącej materii, brzmi jak fabuła filmu science fiction. Tymczasem chodzi o bardzo realną, choć powolną i rozciągniętą w czasie zmianę. Mars przypomina takim zachowaniem, że nawet z pozoru „zardzewiała” i cicha planeta może mieć w środku puls, który da się wyłapać precyzyjnymi instrumentami i cierpliwymi pomiarami.