Von der ETH Zürich aus dem Mars auf den Puls fühlen?

Die Insight-Mission der Nasa ist nach vier Jahren beendet. Die Missionsleitung des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der Nasa in Südkalifornien konnte die Raumsonde in zwei aufeinanderfolgenden Versuchen nicht mehr kontaktieren. Die Nasa-Ingenieure kamen damit zum Schluss, dass die Solarzellen der Raumsonde zu wenig Energie liefern, um die Batterien zu laden– ein Zustand, den sie als «dead bus» bezeichnen. Die Nasa hatte schon früher entschieden, die Mission dann für beendet zu erklären, wenn die Raumfähre zwei Kommunikationsversuche auslässt.

Ganz gibt die amerikanische Raumfahrtbehörde noch nicht auf: Sie wird weiterhin auf ein Signal der Sonde warten. Allerdings ist es unwahrscheinlich, dass sie sich noch einmal melden wird. Das letzte Mal, dass der Insight-Lander mit der Erde kommuniziert hat, war am 15. Dezember 2022.

«Ich habe den Start und die Landung dieser Mission mitverfolgt, und obwohl der Abschied von einem Raumschiff immer traurig ist, ist die faszinierende Wissenschaft, die Insight betrieben hat, ein Grund zum Feiern», sagt Thomas Zurbuchen, der noch bis Ende Jahr Wissenschaftsdirektor der Nasa ist. «Allein die seismischen Daten dieser Mission bieten enorme Einblicke, nicht nur in das Innere des Mars, sondern sie lassen sich teilweise auch auf andere Gesteinskörper wie die Erde übertragen.»

Die Raumsonde Insight landete Ende November 2018 auf dem Roten Planeten und sammelte dort bis vor kurzem seismische Daten. Diese haben Details über die innere Schichtung des Mars bis hinab zum Kern, die Überreste des grösstenteils erloschenen Magnetfelds, das Wetter in diesem Teil des Mars geliefert und eine Menge Marsbebenaktivität sichtbar gemacht.

 «Für uns war diese Mission ein grosses Abenteuer, das bereits 1997 mit der Planung startete», sagt Domenico Giardini, Leiter das Mars-Teams an der ETH Zürich. Seine Mitarbeitenden und er haben zu Insight unter anderem die Seismometer-Elektronik beigetragen und den Marsbeben-Dienst aufgezogen und betrieben. «Wir hatten die einmalige Gelegenheit, erstaunliche wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen – und wir hatten in unserem Wissenschaftlerleben das grosse Glück, an einer erfolgreichen Mission zur Erforschung eines Planeten teilzunehmen», freut sich Giardini.

Das hochempfindliche Seismometer der Insight-Sonde hat über 1300 Marsbeben aufgezeichnet, darunter auch Beben, die durch Meteoriteneinschläge verursacht wurden; der grösste hat Ende letzten Jahres Eisbrocken zu Tage gefördert.

Solche Einschläge halfen den Wissenschaftler:innen, das Alter der Planetenoberfläche zu bestimmen, und die Daten des Seismometers boten die Möglichkeit, die Kruste, den Mantel und den Kern des Planeten zu untersuchen.

«Dies war die erste Mission zur Erforschung des tiefen Inneren eines anderen Planeten. Wir wissen jetzt zum Beispiel, dass der Kern zu gross ist, um ihn mit unseren klassischen Modellen berechnen zu können. Das verändert die Art und Weise, wie wir über die Gesteinsplaneten in unserem Sonnensystem und anderswo im Universum denken müssen», ergänzt Simon Stähler, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Domenico Giardinis Gruppe für Seismologie und Geodynamik an der ETH Zürich.

Das Seismometer war das letzte wissenschaftliche Instrument, das eingeschaltet blieb. Staub, der sich auf den Solarzellen der Landefähre angesammelt hatte, verringerte allmählich die Energiezufuhr – ein Prozess, der bereits begonnen hatte, bevor die Nasa die Mission Anfang des Jahres 2022 verlängerte. Durch einige Reinigungsaktivitäten konnte die Mission noch das ganze Jahr 2022 weiter betrieben, und einige spektakuläre Marsbeben wurden aufgezeichnet.

«Insight war in den letzten vier Jahren ein wichtiger Teil unseres Lebens», sagt John Clinton, Seismologe an der ETH und Leiter des Marsbeben-Dienstes von Insight. «Obwohl die tägliche Durchsicht neuer Daten vom Mars nun leider zu Ende ist, wird die Analyse dieses erstaunlichen Datensatzes noch jahrelang weitergehen – wir haben noch viele Rätsel zu lösen, und zweifellos werden wir dabei Neues entdecken.»

Insight-Mission

Insight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) ist eine unbemannte externe Mars-Mission der Nasa. Im November 2018 gelangte die Raumfähre, die mit einem Seismometer und einer Wärmeflusssonde ausgestattet ist, sicher auf den Mars. Die geophysikalischen Instrumente auf dem Roten Planeten erlauben es, sein Inneres zu erforschen. Zu den Partnern des Programms zählen neben der ETH Zürich das Centre National d'Études Spatiales (CNES) und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Das CNES stellte der Nasa das Instrument Seismic Experiment for Interior Structure (SEIS) zur Verfügung. Wesentliche Beiträge für SEIS kamen vom Institut de Physique du Globe de Paris, dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Deutschland, dem Imperial College London und der Universität Oxford in Grossbritannien sowie dem Jet Propulsion Laboratory (USA).

Der Marsbebendienst an der ETH Zürich analysiert die Messungen, die das Seismometer der InSight-Mission auf unserem Nachbarplaneten durchführt. Fast drei Jahre lang wurden nur Bebenwellen entdeckt, die sich vom jeweiligen Bebenherd durch den tiefen Mars hindurch ausbreiteten. Die Forschenden hofften jedoch auf ein Ereignis, das auch Wellen erzeugt, die entlang der Planetenoberfläche reisen. Am 24. Dezember 2021 war es soweit: Ein Meteoriteneinschlag auf dem Mars bescherte ihnen die ersehnten Oberflächenwellen.

Die Forscher und Forscherinnen hatten aufgrund der untypischen Charakteristiken des aufgezeichneten Bebens eine Quelle nahe der Oberfläche vermutet. Sie kontaktierten daraufhin Kollegen, die mit einer Sonde in der Marsumlaufbahn arbeiteten. Tatsächlich zeigten Aufnahmen des Mars Reconnaissance Orbiter an den Weihnachtstagen 2021 einen grossen Einschlagkrater in rund 3500 Kilometer Entfernung zu InSight.

«Der Ort stimmte gut mit unseren Schätzungen für die Quelle des Bebens überein», sagt Doyeon Kim, Oberassistent am ETH-Institut für Geophysik und Erstautor der Studie, die jetzt in der Zeitschrift Science [https://doi.org/10.1126/science.abq7157] erschienen ist. Auch bei einem zweiten, untypischen Beben konnten die Forschenden als Quelle einen Meteoriteneinschlag in knapp 7500 Kilometer Distanz zu InSight ausmachen.

Weil der Herd der beiden Beben an der Oberfläche lag, wurden nicht nur Raumwellen erzeugt, wie bei den bisher aufgezeichneten Marsbeben, deren Herd in grösserer Tiefe lag, sondern auch Wellen, die sich entlang der Planetenoberfläche ausbreiteten. «Es ist das erste Mal, dass jemand auf einem anderen Planeten als der Erde seismische Oberflächenwellen beobachtet hat. Selbst auf dem Mond während der Apollo-Missionen war dies nicht möglich», sagt Kim.

Die Oberflächenwellen sind für die Forschenden deshalb so wichtig, weil sie Informationen über die Struktur der Marskruste liefern. Die Raumwellen, die bei den Beben durch das Innere des Planeten reisen, ermöglichten bisher zwar Erkenntnisse über den Marskern und den Mantel, sagten aber wenig aus über die Kruste.

Überraschendes Resultat

«Bislang beruhte unser Wissen über die Marskruste auf nur einer Punktmessung unter dem InSight-Lander», erklärt Kim. Das Resultat der Analyse der Oberflächenwellen überraschte den Geophysiker: Die Marskruste zwischen den Einschlagsorten und dem Seismometer von InSight hat im Durchschnitt eine sehr einheitliche Struktur und eine hohe Dichte. Direkt unter der Sonde hingegen hatten die Forschenden zuvor drei Schichten der Kruste nachgewiesen und eine geringere Dichte gemessen.

Die neuen Erkenntnisse sind darum so interessant, weil die Kruste eines Planeten wichtige Hinweise auf die Entstehung und Entwicklung des Himmelskörpers gibt. Sie ist das Ergebnis von frühen dynamischen Vorgängen im Mantel und den nachfolgenden magmatischen Prozessen. Deshalb kann sie Aufschluss geben über die Bedingungen vor Milliarden von Jahren und die Geschichte der Einschläge, die in der Frühzeit des Planeten Mars besonders häufig waren.

Wie die neue Messung funktionierte, erklärt der Forscher folgendermassen: «Die Geschwindigkeit, mit der sich die Oberflächenwellen ausbreiten, hängt von deren Frequenz ab und diese wiederum von der Tiefe.» Misst man über verschiedene Frequenzen hinweg, wie sich die Geschwindigkeit in den seismischen Daten verändert, so kann man daraus schliessen, wie sich die Geschwindigkeit in unterschiedlichen Tiefen verändert, denn die verschiedenen Frequenzen sind für unterschiedliche Tiefen empfindlich. Daraus wiederum lässt sich die durchschnittliche Dichte des Gesteins abschätzen, weil die seismische Geschwindigkeit auch von den elastischen Eigenschaften des Materials abhängt, durch das die Wellen sich fortbewegen. So konnten die Forschenden die Struktur der Kruste in einer Tiefe von rund 5 bis 30 Kilometer unter der Marsoberfläche bestimmen.

Erklärung für grössere Wellengeschwindigkeit

Doch warum ist die durchschnittliche Geschwindigkeit der jetzt beobachteten Oberflächenwellen beträchtlich höher als man aufgrund der früheren Punktmessung unter der Marssonde InSight erwarten würde? Liegt das hauptsächlich am Oberflächengestein oder an anderen Mechanismen? Generell weist vulkanisches Gestein in der Regel höhere seismische Geschwindigkeiten auf. Und die Wege zwischen den beiden Meteoriteneinschlägen und dem Messort führen durch eine der grössten vulkanischen Regionen auf der nördlichen Hemisphäre des Mars.

Verschiedene Mechanismen wie die Bildung von Oberflächenlava oder die Schliessung von Porenräumen durch Erhitzung im Zusammenhang mit vulkanischen Prozessen können die Geschwindigkeit der seismischen Wellen erhöhen. «Andererseits könnte die Krustenstruktur unter dem Landeplatz von InSight auf eine einzigartige Art entstanden sein, beispielsweise als bei einem grossen Asteroideneinschlag vor über drei Milliarden Jahren Material ausgeworfen wurde. Dann ist die Krustenstruktur unter der Sonde wahrscheinlich nicht repräsentativ für die allgemeine Krustenstruktur auf dem Mars», erklärt Kim.

Das Rätsel der Mars-Dichotomie lösen

Die neuen Untersuchungen könnten zudem helfen, ein Jahrhunderte altes Rätsel zu lösen. Seit die ersten Teleskope auf den Mars gerichtet wurden, weiss man, dass ein scharfer Kontrast zwischen Süd- und Nordhalbkugel existiert. Während die südliche Hemisphäre von einem von Meteoritenkratern bedeckten Hochplateau geprägt ist, besteht der nördliche Teil grösstenteils aus flachen, vulkanischen Tiefebenen, die in der Frühgeschichte des Planeten von Ozeanen bedeckt gewesen sein könnten. Diese Aufteilung in südliches Hochland und nördliches Tiefland wird Mars-Dichotomie genannt.

«Bisher gibt es keine akzeptierte Erklärung für die Dichotomie, weil wir ihre tiefe Struktur nie sehen konnten», sagt Domenico Giardini, ETH-Professor für Seismologie und Geodynamik: «Nun beginnen wir, diese Struktur aufzudecken.» Erste Resultate widerlegen offenbar eine der bisher gängigen Theorien für die Mars-Dichotomie: Die Krusten im Norden und Süden bestehen vermutlich nicht aus unterschiedlichen Materialien wie bisher oft angenommen, und ihre Struktur könnte in relevanten Tiefen überraschend ähnlich sein.

Langes Warten auf die Welle

Schon bald erwarten die ETH-Forschenden weitere Ergebnisse. Denn im Mai 2022 beobachtete InSight das bisher grösste Marsbeben mit einer Magnitude 5 – ein Ereignis, bei dem ebenfalls Oberflächenwellen aufgezeichnet wurden. Es geschah gerade noch rechtzeitig, bevor die InSight-Mission zu Ende geht, weil der Sonde allmählich der Strom ausgeht. Eine erste Analyse der Daten bestätigt die Erkenntnisse, welche die Forschenden aus den beiden Meteoriteneinschlägen gewonnen haben. «Es ist verrückt: Wir haben so lange auf diese Wellen gewartet und nun hatten wir nur Monate nach den Meteoriteneinschlägen dieses grosse Beben, das äusserst reichhaltige Oberflächenwellen erzeugt hat. Diese erlauben es uns, noch tiefer in die Kruste vorzudringen: bis in etwa 90 Kilometer Tiefe.»

Literaturhinweis

Kim D et al.: Surface Waves and Crustal Structure on Mars. Science 27. Oktober 2022, doi: 10.1126/science.abq7157 [https://doi.org/10.1126/science.abq7157]

Seit 2018, als im Rahmen der InSight Mission der Nasa das Seismometer SEIS auf der Marsoberfläche installiert wurde, haben Seismologen und Geophysiker der ETH Zürich seismische Wellen von mehr als 1300 Marsbeben registriert. Immer wieder haben die Forschenden kleinere und grössere Beben feststellen können. Nun förderte eine detaillierte Analyse des Orts und der spektralen Eigenschaften dieser Marsbeben Überraschendes zutage: Die Beben geben nämlich Hinweise darauf, dass die Marsoberfläche noch immer von vulkanischen Aktivitäten geprägt wird.

Anzeichen neuerer Aktivitäten auf dem Mars

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der ETH Zürich hat mehr als 20 neuere Marsbeben analysiert, die ihren Ursprung in den Cerberus Fossae hatten – das ist eine aus verschiedenen Gräben und Brüchen bestehende Region auf dem Mars. Die seismischen Daten zeigten, dass die Beben recht tieffrequente Signale erzeugen, was darauf hindeutet, dass die Beben in relativ weichem, potenziell warmem Gestein passierten. Dies würde sich erklären lassen durch Eindringen von Magma in 20-30 km Tiefe innerhalb der letzten Jahrtausende , also vulkanische Aktivität auf dem Mars. Insbesondere stellten die Forschenden fest, dass die Beben grösstenteils im innersten Teil des Grabensystems der Cerberus Fossae stattfanden.

Als sie die Epizentren der Beben mit fotographischen Aufnahmen des entsprechenden Bereichs verglichen, entdeckten die Forschenden zudem, dass sich in die Beben genau bei einer frischen Spalte befinden, um die herum bereits zuvor Ascheablagerungen entdeckt worden waren. Diese liegen nicht nur in der Hauptwindrichtung, sondern in verschiedene Richtungen um die Cerberus Fossae herum: «Der dunklere Farbton dieser Asche weist neuere vulkanische Aktivität nach, die vielleicht innerhalb der letzten 50’000 Jahre aufgetreten ist. Das ist geologisch gesehen relativ jung», erklärt Simon Stähler, der Erstautor eines soeben in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikels. Stähler ist leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter der von Professor Domenico Giardini geleiteten Gruppe Seismologie und Geodynamik am Institut für Geophysik der ETH Zürich.

Wozu Untersuchungen auf unserem Nachbarplaneten?

Die Nachbarplaneten der Erde zu untersuchen, ist keine einfache Aufgabe. Der Mars ist der einzige Planet neben der Erde, auf dem Forschende bodengestützte Rover, Lander und jetzt sogar Drohnen stationiert haben, welche Daten übertragen. Für die Erkundung aller anderen Planeten ist man bisher auf Bilder aus dem Weltraum angewiesen. «SEIS ist das empfindlichste je auf einem anderen Planeten installierte Seismometer», sagt Domenico Giardini. «Es bietet Geophysikern und Seismologen die Möglichkeit, mit aktuellen Daten zu arbeiten, die aufzeigen, was gerade auf dem Mars passiert, und zwar sowohl auf der Oberfläche als auch im Inneren.» Zusammen mit Aufnahmen aus der Umlaufbahn bieten die seismischen Daten verlässliche wissenschaftliche Hinweise.

Als einer unserer unmittelbaren Nachbarplaneten ist der Mars auch wichtig für das Verständnis ähnlicher geologischer Prozesse auf der Erde. Der Rote Planet ist der einzige uns bekannte Planet, dessen Kern aus Eisen, Nickel und Schwefel besteht, die möglicherweise einst Teil eines Magnetfelds waren. Topografische Erkenntnisse deuten zudem darauf hin, dass der Mars früher über grosse Wassermengen und eine potenziell dichtere Atmosphäre verfügte. Noch heute gibt es gefrorenes Wasser an den Polkappen des Planeten, wenn auch wahrscheinlich grösstenteils als Trockeneis. «Auch wenn es noch viel zu entdecken gibt, ist der Nachweis eines möglichen Magmavorkommens auf dem Mars spannend», so Anna Mittelholz, die als Postdoc an der ETH Zürich und der Harvard University tätig ist.

Letzte Reste geophysischen Lebens

Schaut man sich Bilder der trockenen, staubigen Weiten der Marslandschaft an, ist schwer vorstellbar, dass der Mars vor etwa 3,6 Milliarden Jahren lebendig war –  zumindest aus geophysischer Sicht. Jedenfalls spie er ausreichend lange Magma aus, um die Tharsis-Berge, das grösste Vulkansystem unseres Sonnensystems, und den Olympus Mons zu bilden, einen Vulkan, der fast dreimal so hoch ist wie der höchste Berg der Erde, der Mount Everest.

Dass sich der Bebenherd in den nahen Cerberus Fossae – benannt nach dem Höllenhund aus der griechischen Mythologie – befand, deutet darauf hin, dass der Mars noch nicht ganz tot ist. Hier kommt es zum Absinken in der Vulkanregion und zur Bildung paralleler Gräben (oder Brüche), wodurch die Kruste des Planeten ähnlich wie die eines Kuchens im Backofen aufreisst. Laut Stähler ist es möglich, dass das, was wir dort sehen, der Rest einer ehemals aktiven Vulkanregion ist oder dass das Magma sich gerade weiter nach Osten hin zum nächsten Ausbruchherd bewegt.

An der Studie waren Forschende der ETH Zürich, der Harvard University, der Universität Nantes, des CNRS Paris, des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR) in Berlin sowie des Caltech beteiligt.

Literaturhinweis

Stähler SC, Mittelholz A, Perrin C, Kawamura T, Kim D, Knapmeyer M, Zenhäusern G, Clinton J, Giardini D, Longnonné, P, Banerdt WB: Tectonics of Cerberus Fossae unveiled by marsquakes. Nature 2022, DOI:10.1038/s41550-022-01803-y