NASA-sonde InSight onthult eerste inkijkje in binnenste van Mars

Met het onderzoek naar het inwendige van Mars hopen wetenschappers meer inzicht te krijgen in het ontstaan van de Rode Planeet en antwoord te vinden op de vraag waarom Mars is veranderd in de onherbergzame en roestrode woestenij die ze vandaag de dag is.

Gepubliceerd 26 jul. 2021 14:45 CEST
Insight seismometer

Sinds begin 2019 heeft de seismometer van de NASA-sonde InSight metingen verricht die van cruciaal belang zijn voor een beter begrip van Mars' inwendige structuur. Dankzij InSight hebben wetenschappers nu de omvang van de vloeibare kern van de Rode Planeet kunnen vaststellen, naast eigenschappen van de Martiaanse mantel en korst.

Foto van NASA/Caltech

De oorlogsgod van het zonnestelsel blijkt een groter hart te hebben dan werd gedacht. Met behulp van de allereerste seismometer op een andere planeet hebben onderzoekers de inwendige structuur van Mars, waaronder zijn uitzonderlijk grote vloeibare kern, voor het eerst nauwgezet kunnen bestuderen.

De resultaten van het onderzoek zijn op 22 juli in drie verschillende artikelen in het tijdschrift Science gepubliceerd en vormen de zoveelste wetenschappelijke mijlpaal voor het NASA-laboratorium InSight, dat in november 2018 landde op de equatoriale vlakte Elysium Planitia. Het stationaire ruimtevaartuig heeft sinds het begin van 2019 zwakke ‘Marsbevingen’ geregistreerd die door de hele planeet galmen.

Op aarde kunnen seismische golven veel vertellen over de inwendige structuur van onze planeet, omdat ze van snelheid en richting veranderen op de grenzen tussen de verschillende lagen waaruit het binnenste van de aarde is opgebouwd. InSight heeft op Mars soortgelijke seismische golven gemeten, die afkomstig zijn van lichte bevingen. Ook deze golven onthullen de grenzen tussen de schillen waaruit het binnenste van de Rode Planeet is opgebouwd, waaronder de overgang naar zijn vloeibare kern, die een doorsnede van circa 3700 kilometer heeft.

“Als seismoloog krijg je waarschijnlijk maar één keer in je leven de kans om de kern van een planeet te ontdekken,” zegt Simon Stähler, lid van het InSight-team en planetair seismoloog aan de ETH Zürich, in een videogesprek.

Mars is nog maar het derde hemellichaam waarvan het bestaan van een kern op directe wijze met behulp van seismische metingen is vastgesteld, na die van de aarde (in de vroege twintigste eeuw) en die van de maan (in 2011). In combinatie met eerdere metingen die InSight van de mantel en korst van Mars heeft gedaan, zal de nauwkeurige bestudering van de Martiaanse kern een veel verfijnder beeld opleveren van de ontstaansgeschiedenis van de Rode Planeet en van zijn evolutie in de afgelopen 4,5 miljard jaar – van een potentieel levensvatbare planeet met vloeibaar water op zijn oppervlak en een wereldomspannend en beschermend magneetveld naar de onherbergzame, roestrode woestenij van nu. (Lees meer over de aloude obsessie van de mens met de planeet Mars, in de tijdschrifteditie van National Geographic.)

Eerdere Mars-missies en computermodellen hadden tot nu toe een plausibel beeld van de inwendige structuur van Mars opgeleverd, waaronder de waarschijnlijkheid dat de planeet een vloeibare kern had. Maar zonder directe seismische gegevens wisten wetenschappers niet zeker hoe accuraat hun modellen waren of dat het binnenste van Mars misschien nog verrassingen in petto had. Het onderzoek van InSight biedt niet alleen inzicht in de lange evolutie van de Rode Planeet maar is ook een praktijktest voor de methode waarmee wetenschappers van grote afstand het inwendige van een ander hemellichaam kunnen bestuderen.

“Het is de eerste keer dat we de beschikking hebben over directe observaties van het binnenste van een andere planeet,” zegt Sanne Cottaar, een seismoloog van de University of Cambridge in Groot-Brittannië die bij geen van de drie nieuwe studies was betrokken, in een videogesprek.

Marsbevingen

Het uitpluizen van de gegevens die InSight naar huis heeft gestuurd, is een opmerkelijke prestatie. Hier op aarde worden seismologische metingen gedaan met behulp van een netwerk van tienduizenden sensoren. De wetenschappers van InSight hadden de beschikking over slechts één seismometer op één enkele locatie om een kijkje in het inwendige van de Rode Planeet te nemen. (Bekijk hoe de nieuwste rover van de NASA, Perseverance, het oppervlak van Mars zal onderzoeken.)

Ook het feit dat Mars vergeleken met de aarde zeer stilletjes is, maakt dit onderzoek er niet eenvoudiger op. De zwaarste Marsbevingen zouden nauwelijks waarneembaar zijn voor mensen die binnen een straal van een paar kilometer van het epicentrum op het Marsoppervlak zouden staan. Maar de seismometer van InSight is uiterst gevoelig en de stilte van Mars betekent tegelijkertijd dat het laboratorium zwakke bevingen op grotere afstanden kan meten dan een soortgelijk instrument op aarde. Toch kregen de wetenschappers te maken met allerlei potentiële stoorzenders, waaronder de wind die over het Marsoppervlak waait, stofduivels en ‘glitches’ die optreden door het gekraak en geklik van het frame van InSight – het gevolg van het feit dat de sonde elke Martiaanse dag in de zon opwarmt en daarna weer afkoelt.

“Dankzij ons geweldige team hebben we alle informatie die we zochten, kunnen onttrekken aan de gegevens die we tot nu toe hebben vergaard en die we nog steeds binnenkrijgen,” zegt Mark Panning, seismoloog van het Jet Propulsion Laboratory van de NASA in Pasadena, Californië, en een van de auteurs van de drie nieuwe studies.

De basisprincipes voor het onderzoek naar Marsbevingen zouden iedere seismoloog op aarde heel vertrouwd voorkomen, want ook voor Mars wordt er gebruik gemaakt van P- en S-golven, de twee soorten seismische golven die door het binnenste van de planeet galmen.

Omdat de golven zich op deze twee verschillende manieren verplaatsen, planten ze zich niet door dezelfde soorten materialen voort, waardoor wetenschappers met het meten ervan belangrijke informatie over de inwendige structuur van planeten kunnen verzamelen. P-golven planten zich zonder problemen door vaste stoffen, vloeistoffen en gassen voort, maar S-golven kunnen alleen door vaste stoffen bewegen, omdat alleen die stoffen elastische vervorming toestaan.

Dat verschil is van cruciaal belang voor het detecteren van de Martiaanse kern, aangezien P-golven zich door de vaste mantel én de vloeibare kern kunnen voortplanten en S-golven dat niet kunnen. Afhankelijk van de oriëntatie van hun trillingen kunnen sommige S-golven zich tot aan de grens met de vloeibare kern voortplanten, om daar zonder al te veel energieverlies weer richting het oppervlak te worden weerkaatst.

Het waren dit soort seismische weerkaatsingen waarnaar Stähler en zijn collega’s van het InSight-team op zoek waren. Nadat ze veelbelovende aanwijzingen in de gegevens over een Marsbeving in juli 2019 hadden ontdekt, begonnen Stähler en een groeiend legertje van InSight-wetenschappers te zoeken naar Marsbevingen die in drie verschillende fases waren geregistreerd: een P-golf die werd gevolgd door een zware S-golf en een paar honderd seconden later door een kleinere S-golf met de juiste oriëntatie om als een weerkaatsing aangemerkt te worden.

De nieuwste NASA-satelliet gaat op jacht naar planeten in de buurt
Bekijk de nieuwste NASA-satelliet die op zoek gaat naar planeten: de Transiting Exoplanet Survey Satellite.

Al met al vonden de onderzoekers zes Marbevingen in de data die aan dit drievoudige patroon voldeden. Toen ze de signalen ervan vergeleken met vijfduizend verschillende computersimulaties van de Martiaanse mantel, ontdekten ze dat deze golven waren afgeketst op een grens die op een diepte van ruim 1500 kilometer onder het oppervlak van de Rode Planeet ligt: de scheidslijn tussen de vaste mantel en de vloeibare kern van Mars.

Gebaseerd op de diepte van deze grens schat het InSight-team dat de Martiaanse kern een diameter van tussen de 3580 en 3740 kilometer heeft, iets groter dan de wetenschappers hadden verwacht. De wat grotere omvang van de kern betekent ook dat zijn dichtheid iets lager is dan werd gedacht. Als we uitgaan van andere plausibele veronderstellingen met betrekking tot Mars, dan zou deze kern – van vloeibaar ijzer en nikkel – ook tien tot vijftien procent zwavel moeten bevatten, en daarnaast nog kleine hoeveelheden van lichtere elementen als zuurstof, waterstof en koolstof.

De bevindingen maken duidelijk dat de mantel van Mars niet tot een diepte reikt waar de druk hoog genoeg is om een afzonderlijke binnenmantel mogelijk te maken, een schil van extreem heet maar nog altijd vast gesteente die in het binnenste van de aarde op een diepte van zo’n 660 kilometer begint. De mineralen die onder hoge druk in de binnenmantel van de aarde worden gevormd, helpen de kern van onze planeet te isoleren, dus het gebrek aan zo’n binnenmantel op Mars betekent waarschijnlijk dat de kern van de Rode Planeet veel sneller is afgekoeld.

Afhankelijk van de samenstelling van de kern kan deze potentieel snelle afkoeling in de vroege geschiedenis van Mars hebben bijgedragen aan het warmtetransport door de Martiaanse kern, waarbij het soort convectiestromingen ontstonden dat de Rode Planeet in zijn begindagen van een wereldomspannend magneetveld heeft voorzien.

Hoewel Mars tegenwoordig geen magneetveld meer heeft, is de korst van het zuidelijk halfrond op Mars sterk gemagnetiseerd, wat erop wijst dat de planeet tussen de 4,5 en 3,7 miljard jaar geleden een magneetveld als dat van de aarde moet hebben gehad en vervolgens dat magneetveld is kwijtgeraakt. De teloorgang van het Martiaanse magneetveld wordt in verband gebracht met het verlies van het grootste deel van de atmosfeer op de Rode Planeet. Meer inzicht in het verdwijnen van het magneetveld helpt wetenschappers bij het vinden van een antwoord op de vragen wanneer en waarom Mars de kurkdroge en zo te zien levenloze wereld van nu is geworden.

De samenstelling van Mars

De Marsbevingen die door InSight werden opgevangen, onthulden niet alleen de aanwezigheid van een vloeibare kern maar boden ook inzicht in de onderwereld van Mars op geringere diepte: de mantel en de korst. Voor het eerst konden wetenschappers deze bovenste lagen van Mars op dezelfde manier onderzoeken als ze dat op aarde doen.

Voor het tweede onderzoek dat op 22 juli in Science is verschenen, maakte een team onder leiding van Amir Khan, geofysicus aan de ETH Zürich, gebruik van gegevens van de Marsbevingen om een andere duidelijke grens in het binnenste van de Rode Planeet te detecteren, ditmaal op 400 tot 600 kilometer diepte. Boven die grens wordt warmte door de bovenste laag van de buitenmantel en door de Martiaanse korst op dezelfde manier geleid, waardoor er sprake is van één vaste schil die de ‘thermale lithosfeer’ wordt genoemd. Onder die schil gedraagt het mantelgesteente zich meer als een taaie, viskeuze vloeistof, waarin de hitte zich als gevolg van convectie traag verplaatst, als in een lavalamp.

Uit de computermodellen blijkt ook dat de onderste Martiaanse korst 13- tot 21-maal rijker is aan radioactieve elementen die warmte opwekken dan het onderliggende mantelgesteente. Al met al zouden deze bevindingen kunnen verklaren waarom er op Mars op sommige plekken vulkanen zijn ontstaan, ondanks het feit de planeet geen platentektoniek kent.

Om de dwarsdoorsnede van Mars compleet te maken bestudeerden de onderzoekers ook de opbouw van de Martiaanse korst en publiceerden de resultaten van dat onderzoek in de derde studie die op 22 juli in Science verscheen. Hun bevindingen laten twee verschillende interpretaties toe: óf de Martiaanse korst heeft een dikte van zo’n twintig kilometer en bestaat uit twee lagen óf hij is ongeveer 39 kilometer dik en bestaat uit drie lagen. Door uit te zoeken welke van de twee modellen de juiste is, zouden de wetenschappers beter kunnen begrijpen hoe de Rode Planeet is gevormd en in de loop der tijden is veranderd.

“We hopen nog op meer gegevens of andere analyses waarmee we een van beide scenario’s kunnen bevestigen,” zegt Brigitte Knapmeyer-Endrun van de Universität zu Köln, die samen met Mark Panning van JPL de leiding over het korstonderzoek had.

Maar de buitenmaatse kern van de Rode Planeet zou het veel lastiger kunnen maken om interessante Marsbevingen op te pikken. Tot de meest veelbelovende geologische plekken op Mars behoort de spectaculaire regio Tharsis, waar ook de vulkaan Olympus Mons en andere reusachtige en slapende vulkanen zijn te vinden, naast jonger ogende geologische spleten en breuken. De kern van Mars is groot genoeg om InSights registratie van S-golven vanuit de Tharsis-regio te blokkeren, waardoor het ruimtelaboratorium geen enkele beving uit dat gebied kan opvangen.

Misschien liggen elders op Mars nog meer verrassingen in het verschiet. InSight is nog altijd bezig met het vergaren van gegevens en de missie zal tot en met eind 2022 worden verlengd, zodat onderzoekers nog meer bevingen kunnen registreren en daarmee veel meer inzicht in het reusachtige metalen hart van de Rode Planeet kunnen krijgen dan wanneer ze de planeet vanuit een omloopbaan rond Mars zouden bestuderen.

“We gaan nu echt een stap verder dan het interpreteren van het inwendige van Mars vanuit de ruimte,” zegt Stähler. “We hebben nu de beschikking over basisfeiten die ter plekke zijn verzameld.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

Lees meer

Ontdek Nat Geo

  • Dieren
  • Milieu
  • Geschiedenis en Cultuur
  • Wetenschap
  • Reizen
  • Fotografie
  • Ruimte
  • Video

Over ons

Abonnement

  • Abonneren
  • Schrijf je in
  • Shop
  • Disney+

Volg ons

  • Gebruiksvoorwaarden
  • Privacyverklaring
  • Cookiebeleid
Copyright © 1996-2015 National Geographic Society. Copyright © 2015-2017 National Geographic Partners, LLC. Alle rechten voorbehouden.