Mars einst vollständig geschmolzen

Von der Erde weiss man, dass sie aus Schalen aufgebaut ist: Auf eine dünne Kruste aus leichtem, festem Gestein folgen der dicke Erdmantel aus schwerem, zähflüssigem Gestein und darunter der Erdkern, der grösstenteils aus Eisen und Nickel besteht. Bei den terrestrischen Planeten und damit auch beim Mars wurde ein ähnlicher Aufbau vermutet. «Nun bestätigen seismische Daten, dass der Mars einst wohl vollständig geschmolzen war und sich heute in eine Kruste, einen Mantel und einen Kern unterteilt hat, die sich aber von der Erde unterscheiden», sagt Amir Khan, Wissenschaftler am Institut für Geophysik der ETH Zürich und am Physik-Institut der Universität Zürich. Er analysierte zusammen mit seinem ETH-Kollegen Simon Stähler Daten der NASA-Mission InSight, an der die ETH Zürich unter der Leitung von Professor Domenico Giardini beteiligt ist.

Keine Plattentektonik auf dem Mars

Die Forschenden haben herausgefunden, dass die Marskruste unter dem Landeplatz der Sonde in der Nähe des Marsäquators eine Dicke von 15 bis 47 Kilometer hat. Eine solch dünne Kruste muss einen relativ hohen Anteil an radioaktiven Elementen enthalten, was die bisherigen Modelle zur chemischen Zusammensetzung der gesamten Kruste infrage stellt.

Unter der Kruste folgt der Mantel mit der Lithosphäre aus festerem Gestein, die bis in eine Tiefe von 400 bis 600 Kilometern reicht, doppelt so tief wie auf der Erde. Dies könnte daran liegen, dass es auf dem Mars heute nur eine einzige Kontinentalplatte gibt, im Gegensatz zur Erde mit ihren sieben grossen, in Bewegung befindlichen Platten. «Die dicke Lithosphäre passt gut zum Modell vom Mars als ‘One-Plate-Planet’», fasst Khan zusammen.

Die Messungen zeigen zudem, dass der Marsmantel mineralogisch dem oberen Erdmantel gleicht. «So gesehen ist der Marsmantel eine simplere Version des Erdmantels», so Khan. Die Seismologie enthüllt aber auch Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung. Der Marsmantel enthält zum Beispiel viel mehr Eisen als jener der Erde. Wie kompliziert man sich die Schichtung des Marsmantels vorstellen muss, hängt aber auch von der Grösse des darunterliegenden Kerns ab und auch hier gelangten die Forschenden zu neuen Erkenntnissen.  

Der Kern ist flüssig und grösser als erwartet

Der Kernradius beträgt nämlich rund 1840 Kilometer und ist damit gut 200 Kilometer grösser, als man vor 15 Jahren bei der Planung der InSight-Mission aufgrund der geringen Dichte des Planeten vermutet hatte. Die Grösse des Kerns konnte nun mithilfe seismischer Wellen neu kalkuliert werden. «Aus dem jetzt bestimmten Radius können wir die Dichte des Kerns berechnen», erklärt Simon Stähler.

«Ist der Kernradius gross, muss die Dichte des Kerns relativ niedrig sein», so sein Fazit. «Der Kern muss also – neben Eisen und Nickel – auch einen grossen Anteil leichterer Elemente enthalten.» In Frage kommen Schwefel, aber auch Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff, allerdings müsste deren Anteil unerwartet gross sein. Die Forschenden schliessen daraus, dass die Zusammensetzung des gesamten Planeten noch nicht völlig verstanden ist. Die aktuellen Untersuchungen bestätigen jedoch, dass der Kern – wie vermutet – flüssig ist, auch wenn der Mars heute über kein Magnetfeld mehr verfügt.

Mit unterschiedlichen Wellenformen zum Ziel

Die neuen Resultate erzielten die Forschenden durch die Analyse verschiedener seismischer Wellen, die bei Beben entstehen. «Schon früher konnten wir bei den InSight-Daten die unterschiedlichen Wellen sehen und wussten deshalb, wie weit weg von der Sonde diese Bebenherde auf dem Mars waren», sagt Giardini. Um etwas über die innere Struktur von Planeten sagen zu können, braucht es auch Bebenwellen, die an oder unterhalb der Oberfläche oder am Kern reflektiert werden. Nun gelang es den Forschenden erstmals, solche Bebenwellen auf dem Mars zu messen und zu analysieren.

«Die InSight-Mission war eine einmalige Gelegenheit, diese Daten zu erfassen», so Giardini. Der Datenstrom wird in einem Jahr enden, wenn die Solarzellen des Landers nicht mehr genügend Strom produzieren. «Doch wir sind mit der Auswertung aller Daten noch lange nicht zu Ende – der Mars gibt uns noch viele Rätsel auf, vor allem die Frage, ob er sich zur gleichen Zeit und aus demselben Material wie unsere Erde gebildet hat.» Besonders wichtig sei, zu verstehen, wie die innere Dynamik des Mars zum Verlust des aktiven Magnetfeldes und des gesamten Oberflächenwassers führte. «Dies ermöglicht uns, zu erahnen, ob und wie diese Prozesse auf unserem Planeten ablaufen könnten», erklärt Giardini. «Deshalb sind wir auf dem Mars, um seine Anatomie zu untersuchen.»

Literaturhinweis

Khan A et al.: Upper mantle structure of Mars from InSight seismic data. Science, 373, (6553) p. 434-438.

Stähler S et al.: Seismic detection of the Martian core. Science, 373, (6553) p. 443-448. doi:10.1126/science.abi7730

Knapmeyer-Endrun B et al.: Thickness and structure of the Martian crust from InSight seismic data. Science, 373, (6553) p. 438-443. doi:10.1126/science.abf8966

Weitere Informationen

Informationen zu InSight-Mission

Ausführlicher ETH-News-Artikel: Dank Marsbeben zum Kern

Nach mehreren Monaten mit windigem Wetter und Staubstürmen beruhigte sich die Marsatmosphäre wieder, und das Seismometer auf dem InSight-Lander hat begonnen, stärkere Marsbeben aufzuzeichnen. Anfang März wurden zwei neue Marsbeben mit Magnituden von 3.3 und 3.1 beobachtet. Innerhalb von zwölf Stunden nach Eingang der Daten auf der Erde haben Forschende des Marsbebendienstes der ETH Zürich Ort, Magnitude und in einem Fall sogar den Herdmechanismus bestimmt. Das schnelle Ergebnis zeigt, dass die gesamte von der InSight-Mission eingerichtete Kette von Datenaufzeichnung, -übertragung und -analyse effizient und schnell funktioniert. Die beiden Ereignisse zeichnete eine einzelne Station in über 1’200 Kilometer Entfernung auf (eine ähnliche Station auf der Erde wäre dazu nicht in der Lage). Sie reichen aus, um die im Lauf des vergangenen Jahres gewonnenen geologischen Erkenntnisse zur inneren Struktur und Oberflächentektonik des roten Planeten zu bestätigen.

Seit dem Beginn der InSight-Mars-Mission am 26. November 2018 wurden über 500 Marsbeben aufgezeichnet. Mit Magnituden zwischen 1 und 4 sind dies kleine Ereignisse im Vergleich zu Beben auf der Erde. Nur wenige dieser Marsbeben konnten zuverlässig geortet werden, indem man deren Richtung und die Entfernung zum Seismometer bestimmte. Die jüngst erfassten grösseren Marsbeben ereigneten sich in Cerberus Fossae, einem langen, etwa 1’200 Kilometer von Elysium Planitia entfernten Grabensystem, wo InSight gelandet war. Die Beben weisen einen Ausdehnungsmechanismus auf, der mit den regionalen tektonischen Gegebenheiten übereinstimmt und zeigen, dass die Marskruste weiterhin einer starken Verformung unterliegt.

Im Rahmen der InSight-Mission werden die auf dem Mars aufgezeichneten Daten in regelmässigen Übertragungen, oft mehrmals täglich, über das NASA Deep Space Network zur Erde zurückgesendet. Dort werden sie vom Jet-Propulsion Laboratory (JPL) in den USA und dem Nationalen Zentrum für Weltraumforschung (CNES) in Frankreich zeitnah aufbereitet, einer Qualitätskontrolle unterzogen und danach an den Marsbebendienst der ETH Zürich in die Schweiz geschickt. Der Marsbebendienst hat die Aufgabe, eine erste Analyse der Daten vorzunehmen mit dem Ziel, Marsbeben zu identifizieren und periodisch Marsbebenkataloge herauszugeben. Diese bilden den Ausgangspunkt für weitere wissenschaftliche Untersuchungen. Es handelt sich hierbei um ein gemeinschaftliches Unterfangen zu dem Seismologinnen und Seismologen der ETH Zürich, des Instituts für Erdphysik Paris (IPGP), der Universität Bristol und des Imperial College London beitragen. Zu Beginn der Mission waren die auf dem Mars aufgezeichneten Daten voller Überraschungen und schwer zu entschlüsseln. Nachdem seismische Daten vom Mars ein ganzes Jahr lang verarbeitet wurden, ist der Marsbebendienst nun in der Lage, die Signale binnen weniger Stunden nach ihrer Aufzeichnung auf dem Mars vollständig zu charakterisieren. Diese Leistung ist vergleichbar mit jener moderner seismischer Netzwerke auf der Erde.

In Anerkennung der erfolgreichen Leistung von InSight hat die NASA die Verlängerung der Mission um ein zweites Marsjahr genehmigt. Leider sammelt sich der rote Staub, der für alle Bilder vom Mars charakteristisch ist, auch auf den Solarpanels von InSight an, was deren Stromproduktion verringert und Bedenken über den langfristigen Betrieb der Mission aufkommen lässt.

Um mehr über die NASA-Mission InSight zu erfahren, besuchen Sie www.insight.ethz.ch oder www.mars.nasa.gov/insight/.

Zugang zur gemeinsamen Pressemitteilung über das jüngste Marsbeben.

Die beiden Marsmonde Phobos und Deimos gaben seit ihrer Entdeckung im Jahr 1877 Rätsel auf. Sie sind sehr klein. Der Durchmesser von Phobos ist mit 22 Kilometern 160-mal geringer als der Durchmesser unseres Mondes. Deimos ist mit einem Durchmesser von nur zwölf Kilometer nochmals deutlich kleiner. «Unser Mond ist zudem schön kugelförmig, während Phobos und Deimos sehr unregelmässig geformt sind – wie Kartoffeln», sagt Amirhossein Bagheri, Doktorand am Institut für Geophysik der ETH Zürich: «Die Marsmonde gleichen damit eher einem Asteroiden als einem Mond.»

Deshalb vermutete man, dass Phobos und Deimos Asteroiden sein könnten, die vom Mars aufgrund seiner Schwerkraft eingefangen wurden. «Aber genau da begannen die Probleme», sagt Bagheri. Denn eingefangene Objekte müssten den Planeten in einer exzentrischen Bahn umlaufen, die ausserdem eine beliebige Neigung haben könnte. Doch die Bahnen der Marsmonde sind fast kreisförmig und verlaufen in der Äquatorebene des Mars. Dies widerspricht der Hypothese von eingefangenen Asteroiden. Wie jedoch kann man die aktuellen Umlaufbahnen von Phobos und Deimos erklären? Um dieses dynamische Problem zu lösen, setzten die Forscher auf Computersimulationen.

In die Vergangenheit zurückrechnen

«Die Idee war, die Bahnen und deren Veränderung in die Vergangenheit zurück zu verfolgen», erklärt Amir Khan, Senior Scientist am Physik-Institut der Universität Zürich und am Institut für Geophysik der ETH Zürich. Dabei schien es, dass sich die Bahnen von Phobos und Deimos in der Vergangenheit gekreuzt hatten. «Das heisst, die Monde waren sehr wahrscheinlich am selben Ort und müssen deshalb den gleichen Ursprung haben», sagt Khan. Die Forscher folgern, dass damals ein grösserer Himmelskörper den Mars umkreiste. Dieser ursprüngliche Mond wurde vermutlich von einem anderen Brocken getroffen und dadurch auseinandergerissen. «Phobos und Deimos sind die Überreste dieses verschollenen Mondes», sagt Bagheri, Erstautor der Studie, die jetzt in der Zeitschrift «Nature Astronomy» veröffentlicht wurde.

Was einfach nachvollziehbar ist, erforderte aufwändige Vorarbeiten. Denn zuerst galt es, die bestehende Theorie, welche die Wechselwirkung zwischen den Monden und dem Mars beschreibt, weiter zu entwickeln. «Was bei all diesen Himmelskörpern zusammenspielt, sind die Gezeitenkräfte», erklärt Khan. Dabei wird Energie umgewandelt. Diese sogenannte Energiedissipation hängt von der Grösse und vom Innern der Himmelskörper und nicht zuletzt von deren Abstand.

Einblicke ins Marsinnere und in seine Monde

Der Mars wird zurzeit von der Nasa-Mission Insight erforscht, an der die ETH Zürich beteiligt ist. Ein Seismometer, dessen Elektronik an der ETH gebaut wurde, zeichnet Marsbeben und Meteoriteneinschläge auf. «Damit kann man ins Planeteninnere blicken», sagt Khan: «Diese Daten werden verwendet, um das Mars-Modell in unseren Berechnungen und die im Inneren des roten Planeten auftretende Dissipation einzuschränken.»

Von Phobos und Deimos weiss man aufgrund von Bildern und Messungen anderer Marssonden, dass sie aus sehr porösem Material bestehen. Ihre Dichte ist mit weniger als 2 Gramm pro Kubikzentimeter deutlich kleiner als die mittlere Dichte der Erde, die 5,5 Gramm pro Kubikzentimeter beträgt. «Im Innern von Phobos gibt es viele Hohlräume, in denen es vielleicht Wassereis hat», vermutet Khan: «Da findet durch die Gezeiten viel Energiedissipation statt.»

Mithilfe dieser Erkenntnisse und der weiterentwickelten Theorie zur Wirkung der Gezeiten starteten die Forscher Hunderte von Computerläufen, welche die Mondbahnen rückwärts in der Zeit verfolgten, bis sie auf den Kreuzungspunkt stiessen – die Geburt von Phobos und Deimos. Je nach Simulation lag diese in einem Zeitraum, der 1 bis 2,7 Milliarden Jahren in die Vergangenheit zurückreicht. «Der genaue Zeitpunkt hängt von den physikalischen Eigenschaftenvon Phobos und Deimos ab», erklärt Bagheri. Eine japanische Sonde soll 2025 zu Phobos geschickt werden und Gesteinsproben zur Erde zurückbringen. Davon erhoffen sich die Forscher weitere Details zum Innern der Marsmonde, was genauere Berechnungen zu deren Ursprung ermöglichen wird.

Das Ende von Phobos

Die Berechnungen zeigen zudem, dass der gemeinsame Vorfahre von Phobos und Deimos weiter weg vom Mars war als Phobos heute. Während der kleine Deimos ungefähr dort blieb, wo er entstanden war, nähert sich der grössere Phobos aufgrund der Gezeitenkräfte dem Mars – ein Prozess, der weiter andauert, wie die Forscher erklären. Die Computersimulationen zeigen zudem die künftige Entwicklung der Mondbahnen. Demnach entfernt sich Deimos ganz langsam von Mars, so wie sich unser Mond langsam von der Erde wegbewegt. Phobos hingegen wird in weniger als 40 Millionen Jahren auf den roten Planeten stürzen oder bei seiner Annährung an Mars durch Gravitationskräfte auseinandergerissen werden.

Referenz:

Amirhossein Bagheri, Amir Khan, Michael Efroimsky, Mikhail Kruglyakov and Domenico Giardini: “Dynamical evidence for Phobos and Deimos as remnants of a disrupted common progenitor”, Nature Astronomy, published online Feb 22nd 2021; DOI 10.1038/s41550-021-01306-2 https://dx.doi.org/10.1038/s41550-021-01306-2

Bilder von Phobos:

https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2004/11/Phobos_in_colour_close-up2
https://www.jpl.nasa.gov/images/phobos-from-6800-kilometers-color

Bild von Deimos:

https://apod.nasa.gov/apod/ap090316.html

Artikel von Barbara Vonarburg.