Вопрос о том, является ли ядро Марса твёрдым или жидким, уже давно обсуждается. И хотя у нас нет возможности непосредственно изучить марсианское ядро, зонд InSight попытался это сделать опосредованно. Его сейсмометр SEIS стал первым инструментом, который обнаружил возможные доказательства наличия жидкого ядра. Параллельно его прибор RISE (Rotation and Interior Structure Experiment) измерял небольшие изменения динамики вращения планеты по орбите, колебания её оси, вызванные гравитационным взаимодействием с Солнцем.
«Наш анализ данных посредством радиослежения за InSight опровергает гипотезу о существовании твёрдого внутреннего ядра и указывает на наличие внутренних аномалий массы в глубоких слоях мантии», — пишут учёные, создавшие прибор, в исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature.
RISE передаёт радиосигналы на Землю. Отслеживая изменения в этих сигналах, исследователи могут обнаружить чрезвычайно малые изменения в местоположении прибора относительно наших приёмников. Эти изменения вызваны колебаниями во вращении Марса – т.н. нутациями. Расстояние и направление, в котором ось сместилась из-за этих нутаций, можно использовать для выводов о внутреннем строении Марса.
Ранее уже высказывались предположения о том, что у Красной планеты жидкое ядро, основанные на измерениях сейсмических волн. Но обнаружить эти изменения по радиосигналам оказалось непросто. Потребовалось некоторое время, чтобы отделить сигналы от шума, связанного с движениями планеты. На колебания движения Марса также влияют пылевые бури. Бури, шедшие до и после посадки InSight, на некоторое время изменили скорость вращения планеты. Её ось вращения также претерпевает незначительные изменения из-за гравитационного воздействия его спутников, Фобоса и Деймоса.
Для чистоты эксперимента исследователям необходимо было точно знать, в какой именно точке InSight сел на Марс. Первые данные от RISE обработал радиолог Себастьен Ле Майстр из Королевской обсерватории Бельгии, и его оценку местоположения аппарата загрузили на орбитальный аппарат Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), который сфотографировал нужный участок поверхности. Изображение показало, что местоположение зонда InSight оценили с удивительной точностью.
Как же из обнаруженных аппаратом нутаций следует наличие у планеты жидкого ядра? Нутации могут быть прогрессивными (когда ось движется против часовой стрелки относительно окружения) или ретроградными (наоборот). Ле Майстр и его команда уже знали, что если у Марса под твёрдой мантией действительно находится жидкое ядро, тогда ось вращения должна колебаться в ретроградном направлении, а также двигаться немного сильнее, чем в случае, в котором ядро было бы твёрдым. Когда они сверили свою гипотезу с данными InSight, всё совпало.
Дальнейший анализ показал, что марсианское ядро, скорее всего, состоит из смеси жидкого железа и серы, и что в нем постоянно происходит конвекция: более горячая жидкость поднимается, а более холодная опускается. И, судя по всему, в отличие от ядра Земли, ядро Марса полностью жидкое. Внешнее ядро Земли – это смесь жидкого железа и никеля, а внутреннее ядро твёрдое и состоит в основном из железа.
По словам учёных, возможно, что нижняя мантия Марса также может быть расплавленной. Она способствовала бы появлению подповерхностных аномалий массы – областей повышенной или пониженной плотности. Такие аномалии могут частично объяснить небольшое сплющивание как поверхности, так и ядра Марса при его вращении вокруг своей оси.
