NASA InSight Studie entdeckt beschleunigte Rotation auf dem Mars
08/08/23 10:53
Forscher haben die genauesten Messungen der Mars-Rotation durchgeführt, wobei zum ersten Mal erkannt wurde, wie der Planet aufgrund des "Schwappens" seines geschmolzenen Metallkerns wankt. Die Ergebnisse, die in einer kürzlich veröffentlichten Studie in der Fachzeitschrift Nature detailliert beschrieben werden, basieren auf Daten des NASA-Marslanders InSight, der vier Jahre lang betrieben wurde, bevor er im Dezember 2022 während seiner verlängerten Mission die Energie ausging.
Die Forscher nutzten eines der Instrumente der InSight-Mission, einen Funksender und Antennen namens "Rotation and Interior Structure Experiment" oder RISE, um die Rotationsrate des Mars zu messen. Sie entdeckten, dass sich die Rotationsgeschwindigkeit des Planeten um etwa 4 Millibogensekunden pro Jahr beschleunigt. Dies entspricht einer winzigen Verkürzung der Länge eines Marstages um einen winzigen Bruchteil einer Millisekunde pro Jahr.
Diese Beschleunigung ist subtil, und die Wissenschaftler sind sich nicht ganz sicher über die genaue Ursache. Es gibt jedoch einige Vermutungen, wie zum Beispiel die Ansammlung von Eis auf den Polkappen oder das Anheben von Landmassen nach dem Schmelzen von Eis. Ähnlich wie ein Eiskunstläufer, der sich mit ausgestreckten Armen dreht und dann die Arme einknickt, kann die Verschiebung der Masse eines Planeten zu einer Beschleunigung führen.
Bruce Banerdt, der leitende Ermittler der InSight-Mission vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien, äußerte seine Begeisterung über die präzisen Messungen. Er betonte, dass er sich bereits seit langem dafür einsetzt, eine geophysikalische Station wie InSight auf den Mars zu bringen, und dass Ergebnisse wie diese die jahrzehntelange harte Arbeit belohnen.
RISE in Aktion
Die Methode von RISE knüpft an eine langjährige Tradition von Marslandern an, die Funkwellen nutzen, um wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen. Bereits in den 1970er Jahren verwendeten die Viking-Lander und später der Pathfinder-Lander Ende der 1990er Jahre Funkwellen für ihre Forschungszwecke. Doch keine dieser früheren Missionen konnte von der fortschrittlichen Funktechnologie von InSight sowie den modernisierten Antennen im Deep Space Network der NASA auf der Erde profitieren. Dank dieser Verbesserungen konnten die gewonnenen Daten etwa fünfmal genauer sein als bei den Viking-Landern.
Die Funktionsweise von RISE während der InSight-Mission ist wie folgt: Wissenschaftler senden über das Deep Space Network ein Funksignal an den Marslander. RISE reflektiert dieses Signal zurück zur Erde. Bei Empfang des reflektierten Signals wird nach minimalen Veränderungen in der Frequenz gesucht, die durch den Doppler-Effekt hervorgerufen werden. (Dies ist der gleiche Effekt, der bewirkt, dass die Tonhöhe einer Krankenwagensirene sich ändert, wenn der Krankenwagen sich nähert oder entfernt.) Die Messung dieser Frequenzverschiebung ermöglicht es den Forschern, die Rotationsgeschwindigkeit des Mars zu ermitteln.
Sebastien Le Maistre, Hauptautor der Studie und leitender Ermittler von RISE am Königlichen Observatorium von Belgien, erläuterte: "Wir suchen nach winzigen Variationen, die im Verlauf eines Marsjahres nur wenige Zentimeter ausmachen." Das Erfassen solcher subtilen Veränderungen erfordert eine langwierige Datensammlung und Analyse.
Die Forschung nutzte Daten der ersten 900 Marstage der InSight-Mission aus, was ausreichend Zeit bot, um diese Variationen zu erfassen. Die Wissenschaftler hatten jedoch mit Herausforderungen zu kämpfen, um Störfaktoren auszuschließen: Wasser kann die Geschwindigkeit von Funksignalen verlangsamen, und Feuchtigkeit in der Erdatmosphäre kann das reflektierte Signal von Mars verfälschen. Gleiches gilt für den Sonnenwind, der Elektronen und Protonen aus der Sonne in den Weltraum schleudert.
"Es handelt sich um ein historisches Experiment", betonte Le Maistre. "Wir haben viel Zeit und Energie in die Vorbereitung dieses Experiments und die Antizipation dieser Entdeckungen investiert. Dennoch wurden wir während des Prozesses überrascht. Die Arbeit ist noch nicht abgeschlossen, denn RISE hat noch viel darüber zu enthüllen, wie der Mars sich verhält."
Messungen des Marskerns
Die RISE-Daten wurden von den Forschern der Studie genutzt, um die Schwankungen des Mars, auch Nutation genannt, aufgrund von Bewegungen in seinem flüssigen Kern zu erfassen. Diese Messungen ermöglichen es den Wissenschaftlern, die Größe des Kerns zu bestimmen. Basierend auf den RISE-Daten wurde der Radius des Kerns auf etwa 1.140 Meilen (ungefähr 1.835 Kilometer) ermittelt.
Anschließend verglichen die Forscher diese Zahl mit zwei früheren Messungen des Kerns, die aus den Daten des Seismometers der Raumsonde abgeleitet wurden. Genauer gesagt untersuchten sie, wie seismische Wellen im Inneren des Planeten verliefen - ob sie am Kern reflektiert wurden oder ungehindert hindurchgingen.
Nach Berücksichtigung aller drei Messungen schätzten sie den Radius des Kerns auf einen Bereich von 1.112 bis 1.150 Meilen (ungefähr 1.790 bis 1.850 Kilometer). Der Mars insgesamt hat einen Radius von 2.106 Meilen (ungefähr 3.390 Kilometer), was etwa der Hälfte der Größe der Erde entspricht.
Die Analyse der Schwankungen des Mars ermöglichte auch Einblicke in die Form des Kerns.
Attilio Rivoldini, der zweite Autor der Studie vom Königlichen Observatorium von Belgien, erklärte: "Die RISE-Daten zeigen, dass die Form des Kerns nicht allein durch seine Rotation erklärt werden kann. Diese Form deutet darauf hin, dass es im Inneren des Mantels Bereiche mit leicht höherer oder niedrigerer Dichte gibt."
Obwohl Wissenschaftler noch viele Jahre lang InSight-Daten untersuchen werden, markiert diese Studie das abschließende Kapitel für die Rolle von Bruce Banerdt als leitender Ermittler der Mission. Nach einer 46-jährigen Tätigkeit am Jet Propulsion Laboratory der NASA trat er am 1. August in den Ruhestand.
