Ученые зафиксировали на Марсе землетрясения… Или марсотрясения? Неважно, главное, что они позволяют заглянуть внутрь планеты

Команде исследователей из NASA удалось достоверно зарегистрировать более 170 марсотрясений — землетрясений на поверхности Марса. Одни из самых сильных произошли в геологически активном районе системы Разломов Цербера, которая находится в северном полушарии планеты. До сих пор «внеземные» толчки непосредственно наблюдались лишь на Луне, однако теперь и Марс был признан сейсмически активным небесным телом. С помощью этих данных исследователи надеются изучить внутреннее строение планеты.

Чтобы понять, как Марс перестал быть похожим на Землю, нужно узнать, как он устроен изнутри. И сейсмическая активность здесь важнейший инструмент

Сегодняшний Марс имеет лишь отдаленное сходство с Землей, но астрономы неспроста называют эти две планеты сестрами. Многочисленные снимки поверхности Красной планеты, на которых отчетливо видны следы пересохших рек и озер, а также минералы, которые образуются только в присутствии воды, указывают на то, что в прошлом условия на Марсе могли быть намного более благоприятными для жизни, чем сегодня. Это ставит перед исследователями очевидный вопрос — когда на Марсе все пошло не так, как на Земле, и почему он превратился в безжизненную красную пустыню?

Есть несколько теорий, предлагающих решение этой загадки. Самая распространенная из них говорит о том, что причиной столь кардинального преображения стало стремительное остывание ядра Марса, которое произошло довольно рано — примерно четыре миллиарда лет назад, то есть не позднее полумиллиарда лет от времени рождения планеты. В результате резкого падения температуры «сердцевина» Марса перестала быть достаточно текучей, и это остановило внутреннюю «динамо-машину», которая обеспечивала поддержание глобального магнитного поля планеты. Лишившись своего «магнитного зонтика», атмосфера Марса оказалась беззащитна перед солнечным ветром, который ионизирует молекулы газов и увлекает их в космос, и постепенно истончилась до сегодняшнего состояния.

Это не единственная теория, пытающаяся объяснить причины эволюции Марса до его нынешнего состояния, однако все подобные теории схожи — дискуссии в основном ведутся вокруг того, как именно происходило остывание, было ли оно стремительным и как давно завершилось. Имея те небольшие данные, которые есть сейчас, наверняка сказать, что произошло, довольно трудно: в то время как одни ученые даже сегодня допускают существование в недрах Марса расплавленного ядра, другие настаивают на том, что оно давно затвердело.

Чтобы понять историю Марса, необходимо построить хотя бы простую модель его внутренней структуры. Однако ограничения, накладываемые современными измерениями, не позволяют сделать это однозначно. Одни и те же данные об изменении гравитации планеты в разных точках могут иметь сразу несколько подходящих объяснений, которые порой заметно отличаются друг от друга, поэтому точный размер и состав внутренностей планеты остаются загадкой. При этом, зная, как выглядит Марс внутри, ученые могли бы пролить свет не только на его прошлое, но и на историю формирования каменистых планет в целом. В том числе Земли. На ней следы древних процессов практически стерла рециркуляция вещества коры (погружение ее вещества в мантию), в то время как прошлое Марса, как считают многие эксперты, было менее бурным и его недра еще хранят некоторые отпечатки глубокого прошлого. Кроме того, зная внутреннюю структуру и состояние недр нашего «соседа», исследователи смогут объяснить, почему одни планеты превращаются в «Землю», а другие в «Марс» или «Венеру» — и это крайне важно для того, чтобы понимать, как и где следует искать жизнь.

Именно поэтому астрономов так интересуют марсотрясения и те данные, которые они позволяют получить. По мере того, как сейсмические волны путешествуют по планете, они собирают информацию. Во-первых, скорость их движения зависит от геологического материала, через который они проходят, во-вторых, они по-разному от него отражаются. Анализ длины сейсмических волн, скорости их распространения и других особенностей может помочь ученым нащупать в глубине планеты границу между корой, мантией и ядром. Очень похожие измерения в свое время помогли понять строение Земли, но если на нашей планете сейсмических датчиков сейчас многие тысячи, то на Марсе до недавних пор не было ни одного.

Ученые искали марсотрясения очень давно, но только сейчас процесс поставили на поток

Первые попытки обнаружить марсотрясения были предприняты еще в 1975 году. Тогда NASA в рамках программы «Викинг» отправило на Красную планету сразу два спускаемых зонда с сейсмографами на борту, но миссия завершилась провалом: на «Викинге-1» не сработала система механической разблокировки прибора, поэтому инженерам не удалось привести его в рабочее состояние, а на «Викинге-2» инструмент заработал, но не смог «услышать» ни одного землетрясения из-за того, что по ошибке проектировщиков датчики были расположены на платформе с амортизаторами. Единственным исключением стал толчок в ноябре 1976 года, но его нельзя назвать свидетельством активности — сегодня большинство ученых считает, что сейсмограф тогда среагировал на сильный порыв ветра.

Следующая попытка изучить сейсмическую активность Марса была предпринята только 40 лет спустя в рамках исследовательской программы Discovery Program. В мае 2018 года NASA отправило к планете спускаемый зонд InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) — его дизайн во многом копирует дизайн другого космического аппарата, посадочного модуля «Феникс», который приземлился на поверхности Красной планеты в 2008 году. Однако если «Феникс» исследовал марсианский климат и «охотился» за водой, то перед InSight стоят другие задачи. Его главная цель — изучение внутреннего строения и состава небесного тела.

InSight совершил посадку на Красную планету 28 ноября 2018 года. Он «примарсился» на склоне эродированного кратера, известного как впадина Хомстеда, который находится на равнине Элизий в северном полушарии планеты. На его борту, помимо двух камер, находятся три основных научных прибора: бур для измерения потоков тепла в грунте, эксперимент для оценки изменения наклона оси вращения планеты и чувствительный сейсмометр, который был установлен прямо на поверхности грунта. Уже в апреле сейсмометру удалось зарегистрировать первое «марсотрясение», однако одного сигнала было недостаточно для серьезных выводов. Сейчас же команда миссии представила предварительные научные результаты по итогам целых 10 месяцев работы зонда.

Предсказанных сильных марсотрясений зафиксировать не удалось, но даже мелкие рассказали многое о строении планеты

К концу сентября 2019 года InSight удалось «поймать» 174 марсотрясения, причем все они были зарегистрированы ночью, когда стихал ветер. Большинство марсотрясений оказались слабыми сейсмическими толчками, которые распространялись по марсианской коре на небольшой глубине и обнаруживались на высоких частотах. Однако ученым также удалось зарегистрировать 24 низкочастотных сигнала, которые, вероятно, пришли из более глубоких слоев планеты, из области мантии. Это были марсотрясения с магнитудой от 3 до 4, которые люди могли бы почувствовать только в непосредственной близости от очага.

Два из самых сильных марсотрясений магнитудой 3,6 произошли в районе системы Разломов Цербера, которые находятся в 1600 километрах от места посадки InSight. Эти разломы пересекают ударные кратеры и вулканические равнины, чей возраст оценивается специалистами в 2-10 миллионов лет, что говорит об их относительной молодости (по геологическим меркам, конечно). Авторы считают, что причиной возникновения подземных толчков стало охлаждение поверхности планеты и нарастание напряженности вдоль трещин — а вовсе не движение тектонических плит, как это происходит на Земле. В этом смысле наша планета, вероятнее всего, пока что остается уникальной.

Одним из самых неожиданных результатов стало то, что за 235 солов (марсианских дней) команде InSight не удалось обнаружить ни одного по-настоящему сильного марсотрясения, хотя модели такие события предсказывали. Мощные сейсмические толчки значительно облегчили бы изучение недр планеты и помогли бы намного быстрее продвинуться вперед. И хотя исследователи на пресс-конференции заявили, что марсотрясение с магнитудой больше 4 может случиться в любой момент, если за все время миссии им не удастся поймать ни одного мощного сигнала, это станет большим разочарованием.

Тем не менее, даже слабые толчки предоставили много интересных данных, которые сложно было бы получить бурением или, скажем, орбитальными наблюдениями. Команда миссии, в частности, построила приблизительную «карту» недр под местом посадки зонда. Выяснилось, что поверхность впадины Хомстеда покрыта рыхлым песком, на котором осела очень мелкая пыль. Чуть ниже, на глубине одного сантиметра находится твердая корка, состоящая из сцементированного реголита — ее называют дюрикраст, — которая покрывает слой фрагментированных камней и песка толщиной не менее 3 метров. Глубже находятся более крупные породы и растрескавшийся базальт.

Магнитометр InSight также показал интересные результаты. Он зарегистрировал неожиданно сильное локальное магнитное поле — в 10 раз сильнее, чем предсказывали оценки на основе спутниковых измерений. Его, вероятно, создают намагниченные породы в недрах Марса, породы, возраст которых сопоставим с возрастом самой планеты — около 3,9 миллиарда лет. Они залегают на глубине от 60 метров до нескольких километров.

Установленные на InSight приборы помогли определить и то, как меняется «погода» на месте зонда посадки в течение дня. Типичный цикл на равнине Элизий начинается с того, что примерно с полуночи и до раннего утра там усиливается ветер — это более холодный воздух скатывается с высокогорья в южном полушарии. Затем Солнце нагревает атмосферу, из-за чего теплые воздушные массы поднимаются, а прохладные — опускаются, что порождает вертикальное движение. Ветры достигают своего пика во второй половине дня, когда падает атмосферное давление, и в этот момент на поверхности появляются многочисленные пылевые дьяволы — песчаные вихри, которые напоминают миниатюрные торнадо. Ближе к вечеру они стихают, обстановка вокруг посадочного аппарата становится спокойной и с позднего вечера и до полуночи окружающие условия позволяют обнаруживать сейсмические сигналы, идущие из глубины планеты.

В целом, недра Марса оказалась активнее лунных, но намного спокойнее земных. Самые слабые колебания грунта на Красной планете примерно в 500 раз «тише» тех, что регистрируют в самых спокойных регионах Земли. Ученые не исключают, что причиной разных марсотрясений могут быть разные явления — не только остывание планеты, но и падения метеоритов, гравитационные события или даже эпизодическое движение подземной жидкости (которую пока еще никто не обнаружил). Прояснить картину поможет анализ большего количества данных, которые команда миссии продолжит собирать в 2020 году.