Дослідження NASA InSight показало, що Марс обертається швидше

Вчені виконали найточніші вимірювання обертання Марса, вперше виявивши, як планета коливається через «хлюпотіння» її розплавленого металевого ядра. Висновки, детально описані в нещодавній статті Nature, спираються на дані марсіанського апарату NASA InSight, який працював протягом чотирьох років, перш ніж розрядитися під час розширеної місії в грудні 2022 року.

Щоб відстежити швидкість обертання планети, автори дослідження покладалися на один із інструментів InSight: радіотранспондер і антени, які спільно називаються Rotation and Interior Structure Experiment, або RISE. Вони виявили, що обертання планети прискорюється приблизно на 4 мілісекунди кута на рік, що відповідає скороченню тривалості марсіанського дня на частку мілісекунди на рік.

Це незначне прискорення, і вчені не зовсім впевнені в причині. Але у них є кілька ідей, включаючи накопичення льоду на полярних шапках або післяльодовиковий відскок, коли суша піднімається після того, як похована льодом. Зміщення маси планети може призвести до того, що вона трохи прискориться, як ковзаняр, який обертається з витягнутими руками, а потім втягує їх.

«Дійсно здорово мати можливість отримати останні вимірювання — і так точно», — сказав головний дослідник InSight Брюс Банердт з Лабораторії реактивного руху НАСА в Південній Каліфорнії. «Я тривалий час брав участь у спробах поставити геофізичну станцію, як InSight, на Марс, і такі результати роблять ці десятиліття роботи варті того».

Як працює RISE

RISE є частиною давньої традиції марсіанських посадкових апаратів, які використовують радіохвилі для науки, включно з подвійними посадковими апаратами Viking у 1970-х роках і Pathfinder у кінці 90-х років. Але жодна з цих місій не мала переваг передової радіотехнології InSight та модернізації антен у мережі NASA Deep Space Network на Землі. Разом ці вдосконалення надали дані приблизно в п’ять разів точніші, ніж ті, які були доступні для посадкових апаратів Viking.

У випадку з InSight вчені передають радіосигнал на посадковий модуль за допомогою Deep Space Network. Тоді RISE відобразить сигнал назад. Коли вчені отримували відбитий сигнал, вони шукали крихітні зміни частоти, спричинені доплерівським зсувом (той самий ефект, який змушує сирену швидкої допомоги змінювати висоту, коли вона наближається та віддаляється). Вимірювання зсуву дозволило дослідникам визначити швидкість обертання планети.

«Те, що ми шукаємо, — це варіації, які становлять лише кілька десятків сантиметрів протягом марсіанського року», — сказав провідний автор статті та головний дослідник RISE Себастьєн Ле Местр з Королівської обсерваторії Бельгії. «Потрібно дуже багато часу і багато даних, щоб накопичити перш ніж ми зможемо побачити ці варіації».

Стаття досліджувала дані за перші 900 марсіанських днів InSight — достатньо часу, щоб шукати такі варіації. Вченим довелося працювати над усуненням джерел шуму: вода сповільнює радіосигнали, тому волога в земній атмосфері може спотворювати сигнал, що надходить із Марса. Так само може діяти сонячний вітер, електрони та протони, що викидаються Сонцем у глибокий космос.

«Це історичний експеримент», — сказав Ле Местр. «Ми витратили багато часу та енергії на підготовку експерименту та очікування цих відкриттів. Але, незважаючи на це, ми все одно були здивовані на цьому шляху — і це ще не закінчилося, оскільки RISE ще має багато чого розкрити про Марс».

У цьому відео пояснюється, як мережа глибокого космосу NASA, що складається з кількох гігантських антенних тарілок, розміщених на трьох приблизно рівновіддалених наземних станціях на Землі, допомагає проводити радіонауку навколо планет, місяців та інших планетних тіл. Авторство: NASA/JPL-Caltech

Вимірювання ядра Марса

Автори дослідження також використовували дані RISE для вимірювання коливань Марса, які називаються його нутацією, через плескання в його рідкому ядрі. Вимірювання дозволяє вченим визначити розмір ядра: на основі даних RISE ядро ​​має радіус приблизно 1140 миль (1835 кілометрів). Потім автори порівняли цю цифру з двома попередніми вимірюваннями ядра, отриманими сейсмометром космічного корабля. Зокрема, вони досліджували, як сейсмічні хвилі поширюються всередині планети — відбиваються вони від ядра чи безперешкодно проходять через нього.

Беручи до уваги всі три вимірювання, вони оцінюють радіус ядра між 1112 і 1150 миль (1790 і 1850 кілометрів). Марс в цілому має радіус 2106 миль (3390 кілометрів) — приблизно вдвічі менший за розміри Землі. Вимірювання коливань Марса також дало детальну інформацію про форму ядра.

«Дані RISE показують, що форму ядра не можна пояснити лише його обертанням», — сказав другий автор статті, Аттіліо Ріволдіні з Королівської обсерваторії Бельгії. «Ця форма вимагає областей трохи більшої або меншої щільності, похованих глибоко в мантії».

Хоча вчені збиратимуть дані InSight протягом наступних років, це дослідження знаменує останню главу в ролі Банердта як головного дослідника місії. Після 46 років роботи в JPL він пішов у відставку 1 серпня.