فك رموز اللغز الرئيسي للكوكب الأحمر

يوم الثلاثاءقلب الحديد السائل أصغر حجمًا وأكثر كثافة مما كان يُعتقد سابقًا. إنها ليست صغيرة فحسب، بل إنها محاطة بالصخور المنصهرة. هذا ما استنتجه باحثو ETH Zurich بناءً على البيانات الزلزالية من مركبة الهبوط Inside.

• بعد سنة ناسا مع اكتمال مهمة INSIDE، يؤدي تحليل الجرابيات المسجلة، جنبًا إلى جنب مع عمليات المحاكاة الحاسوبية، إلى المزيد من النتائج الجديدة.
• أظهر تحليل المريخيين الذين تم رصدهم في وقت مبكر أن متوسط ​​كثافة نواة المريخ يجب أن تكون أقل بكثير من كثافة الحديد السائل النقي.
• تظهر الملاحظات الجديدة أن نصف قطر قلب المريخ قد انخفض من 1800-1850 كيلومترًا المحدد في البداية إلى مكان ما في نطاق 1650-1700 كيلومتر.

استكشاف الجزء الداخلي من المريخ: رؤى من مركبة الهبوط الداخلية التابعة لناسا

لمدة أربع سنوات، سجلت مركبة الإنزال الداخلية التابعة لناسا الاهتزازات على سطح المريخ باستخدام مقياس الزلازل الخاص بها. قام الباحثون في ETH Zurich بجمع وتحليل البيانات المرسلة إلى الأرض لتحديد البنية الداخلية للكوكب. يقول أمير خان، كبير العلماء في قسم علوم الأرض في ETH Zurich: “على الرغم من أن المهمة تنتهي في ديسمبر 2022، إلا أننا اكتشفنا الآن شيئًا مثيرًا للاهتمام للغاية”.

طبقة السيليكات المميزة للمريخ

يرسم تحليل ملاحظات المريخ المسجلة، بالإضافة إلى عمليات المحاكاة الحاسوبية، صورة جديدة لباطن الكوكب. محصورة بين الحديد السائل على المريخ تعبير يحتوي القلب وغطاء السيليكات الصلب على طبقة بسمك 150 كيلومترًا من السيليكات السائلة (الصهارة). يقول خان: “لا توجد طبقة سيليكات منصهرة تمامًا على الأرض”.

وقد تم نشر هذا الاكتشاف الآن في مجلة Science طبيعة توصلت دراسة أجراها هنري صموئيل من معهد الفيزياء في غلوب بباريس إلى نتيجة مماثلة باستخدام طرق تكميلية، كما قدمت معلومات جديدة حول حجم وتكوين نواة المريخ، مما يحل لغز الباحثين. الى الآن لا يمكن أن أشرح.

التكوين الأساسي للمريخ

أظهر تحليل الجرابيات التي تمت ملاحظتها مبكرًا أن متوسط ​​كثافة نواة المريخ يجب أن يكون أقل بكثير من كثافة الحديد السائل النقي. على سبيل المثال، يتكون لب الأرض من الحديد بنسبة 90% من وزنه. تشكل العناصر الخفيفة مثل الكبريت والكربون والأكسجين والهيدروجين حوالي 10 بالمائة من الكتلة الإجمالية.

وتشير التقديرات الأولية لكثافة نواة المريخ إلى أنها تحتوي على نسبة كبيرة جدًا من العناصر الخفيفة – حوالي 20 بالمائة من حيث الوزن. يقول دونغيانغ هوانغ، باحث ما بعد الدكتوراه في قسم علوم الأرض في ETH Zurich: “يمثل هذا مجموعة كبيرة جدًا من العناصر الخفيفة التي تقترب من المستحيل. لقد كنا نتساءل عن هذه النتيجة منذ ذلك الحين”.

يشرح هنري صامويل، الباحث في المركز الوطني للأبحاث العلمية والمتخصص في الديناميكا الجيولوجية في IPGP، نموذجًا جديدًا للبنية الداخلية للمريخ، مقترحًا في مقال نشر في مجلة Nature. تقترح دراسة أجراها علماء من مهمة INSIDE التابعة لناسا أن وشاح المريخ غير منتظم ويتكون من طبقات من السيليكات المنصهرة فوق قلب المريخ. النموذج، الذي تم تطويره باستخدام البيانات الزلزالية المسجلة على المريخ بعد اصطدام نيزك، يشرح جميع الملاحظات الجيوفيزيائية، مما يحدث ثورة في رؤيتنا للبنية الداخلية للكوكب الأحمر وتطوره. الائتمان: © IPGP

إعادة تعريف مركز المريخ

تظهر الملاحظات الجديدة أن نصف قطر قلب المريخ قد انخفض من 1800-1850 كيلومترًا المحدد في البداية إلى مكان ما في نطاق 1650-1700 كيلومتر، وهو ما يمثل حوالي 50 بالمائة من نصف قطر المريخ. على الرغم من أن نواة المريخ أصغر مما كان يعتقد سابقًا، ولكن لها نفس الكتلة، إلا أنها أكثر كثافة وتحتوي على مكونات خفيفة أقل. ووفقا للحسابات الجديدة، انخفضت نسبة العناصر الخفيفة بنسبة 9 إلى 14 بالمائة من حيث الوزن.

يقول باولو سوسي، الأستاذ المساعد والعضو الوطني في قسم علوم الأرض في ETH Zurich: “هذا يعني أن متوسط ​​كثافة نواة المريخ لا يزال منخفضًا إلى حد ما، ولكن لم يعد من الممكن وصفه في ظل ظروف تكوين الكوكب النموذجية”. مراكز الكفاءة البحثية (NCCRs) PlanetS.

يشير وجود كميات كبيرة من العناصر الخفيفة في قلب المريخ إلى أنها تشكلت في وقت مبكر جدًا، ربما عندما كانت الشمس لا تزال محاطة بغاز سديم يمكن أن تكون العناصر الضوئية قد تراكمت منه في قلب المريخ.

باستخدام المريخ البعيد

استندت الحسابات الأولية إلى الهزات التي حدثت بالقرب من مركبة الهبوط الداخلية. لكن في شهري أغسطس وسبتمبر 2021، سجل جهاز قياس الزلازل زلزالين على الجانب الآخر من المريخ. وكان واحد منهم بسبب تأثير النيزك.

توضح سيسيليا دوران، طالبة الدكتوراه في قسم علوم الأرض في ETH زيورخ: “لقد خلقت هذه الزلازل موجات زلزالية مرت عبر القلب”. “لقد سمح لنا بإضاءة القلب.”

وعلى النقيض من ذلك، في حالة زلازل المريخ السابقة، انعكست الموجات عند حدود الوشاح الأساسي، مما لم يوفر أي معلومات حول باطن الكوكب الأحمر العميق. ونتيجة لهذه الملاحظات الجديدة، أصبح الباحثون الآن قادرين على تحديد كثافة قلب السائل وسرعة الموجة الزلزالية وصولاً إلى عمق حوالي 1000 كيلومتر.

محاكاة الكمبيوتر العملاق الكمي

لاستنتاج تركيبة المادة من هذه الملفات، يقوم الباحثون عادة بمقارنة البيانات مع مركبات الحديد الاصطناعية التي تحتوي على نسب مختلفة من العناصر الخفيفة (S، C، O، وH). وفي المختبر، يتم تعريض هذه السبائك لدرجات حرارة وضغوط عالية تعادل تلك الموجودة في باطن المريخ، مما يسمح للباحثين بقياس الكثافة وسرعة الموجات الزلزالية بشكل مباشر.

ومع ذلك، في الوقت الحالي، يتم إجراء معظم التجارب في ظل الظروف السائدة في باطن الأرض، لذلك لا يمكن تطبيقها على المريخ على الفور. ونتيجة لذلك، سعى باحثو المعهد التقني الفدرالي العالي في زيورخ إلى إيجاد طريقة مختلفة. وقاموا بحساب خصائص مجموعة متنوعة من السبائك باستخدام حسابات ميكانيكا الكم، والتي تم إجراؤها في المركز الوطني السويسري للحوسبة الفائقة (CSCS) في لوغانو، سويسرا.

عندما قارن الباحثون الملفات الشخصية المحسوبة بناءً على بيانات Insite الزلزالية مع قياساتهم، واجهوا مشكلة. لقد اتضح أن أيًا من تركيبات العناصر الحديدية والخفيفة لا تتطابق في الوقت نفسه مع البيانات الموجودة في أعلى ووسط قلب المريخ. على سبيل المثال، عند الحدود بين اللب والوشاح، يجب أن تحتوي سبيكة الحديد على كربون أكثر من الموجود داخل اللب.

يشرح هوانغ: “لقد استغرقنا بعض الوقت لندرك أن ما كنا نظنه سابقًا على أنه النواة الخارجية للحديد السائل لم يكن اللب، بل الجزء العميق من الوشاح”. ودعمًا لذلك، وجد الباحثون أيضًا أن الكثافة وسرعة الموجات الزلزالية في الـ 150 كيلومترًا الخارجية من قلب المريخ كانت متوافقة مع السيليكات السائلة، وهي نفس المادة، في شكلها الصلب، التي تشكل عباءة المريخ. .

وقد أكد المزيد من التحليل للزلازل المريخية السابقة وعمليات المحاكاة الحاسوبية الإضافية هذا الاستنتاج. بسبب الألواح الشمسية المغبرة وما نتج عن ذلك من نقص الكهرباء، لم تتمكن مركبة الهبوط InSight للأسف من تقديم بيانات إضافية يمكن أن تلقي مزيدًا من الضوء على تكوين وبنية الجزء الداخلي للمريخ. يقول خان: “ومع ذلك، كانت مهمة إنسايت ناجحة جدًا، حيث زودتنا بالكثير من البيانات والرؤى الجديدة التي سيتم تحليلها على مر السنين”.

لمزيد من المعلومات حول هذه الدراسة، راجع مركبة الهبوط الداخلية التابعة لناسا تكشف عن لغز المريخ المنصهر

ملحوظات:

أ. خان، د. هوانغ، ج. دوران، ب.أ. تشوسي، D. جيارديني و م. موراكامي، 25 أكتوبر 2023، “دليل على وجود طبقة السيليكات السائلة على سطح المريخ” طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-023-06586-4

هنري صموئيل، ميلاني تريليو، أتيليو ريفولديني، تشونغبو شو، كوانتشينج هوانغ، رافائيل إف. غارسيا، فيترون ليكيتش، جيسيكا سي ايرفينغ، جيمس بن بيدرو، جيمس ليب بيدرو، الأدلة الجيوفيزيائية لطبقة سيليكات منصهرة مكثفة فوق قلب المريخ. كونولي، تايتشي كاوامورا، تمارا كوتكوفا، ووليام ب. لافتة، 25 أكتوبر، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-023-06601-8

ناسا المريخ داخل البعثة

مختبر الدفع النفاث (مختبر الدفع النفاث) قام بإدارة Insight لمديرية العمليات العلمية التابعة لناسا. يعد InSight جزءًا من برنامج Discovery التابع لناسا، والذي يديره مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع للوكالة. قامت شركة Lockheed Martin Space Inside بتطوير المركبة الفضائية، والتي دعمت عمليات المركبة الفضائية في مرحلة الرحلة البحرية والهبوط والمهمة.

ويدعم العديد من الشركاء الأوروبيين مهمة إنسايت، بما في ذلك المركز الوطني الفرنسي للدراسات الفضائية (CNES) ووكالة الفضاء الألمانية (DLR). جنبا إلى جنب مع الباحث الرئيسي في IPGP (معهد الفيزياء في العالم في باريس)، زود المركز الوطني الفرنسي للدراسات الفضائية ناسا بأداة للتجارب الزلزالية. جاءت المساهمات الكبيرة في SEIS من IPGP؛ ومعهد ماكس بلانك لأبحاث النظام الشمسي (MPS) في ألمانيا؛ المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا (ETH Zurich) في سويسرا؛ جامعة لندن الامبرياليه وجامعة أكسفورد في المملكة المتحدة؛ ومختبر الدفع النفاث. تتم قيادة خدمة Marsquake بواسطة ETH Zurich، مع مساهمات كبيرة من IPGP؛ ال جامعة بريستول; الكلية الإمبريالية؛ ISAE (المعهد العالي للطيران والفضاء)؛ محمد بن سلمان؛ ومختبر الدفع النفاث. قدمت DLR أداة حزمة التدفق الحراري والخصائص الفيزيائية (HP3)، مع مساهمات كبيرة من مركز أبحاث الفضاء (CBK) التابع للأكاديمية البولندية للعلوم وأسترونيكا في بولندا. قام مركز علم الأحياء الفلكي الإسباني (CAB) بتوفير أجهزة استشعار درجة الحرارة والرياح.