Ученые сделали самые точные измерения вращения Марса, впервые обнаружив, как планета колеблется из-за «выплескивания» ее расплавленного металлического ядра. Выводы, подробно изложенные в недавней статье в журнале Nature, основаны на данных посадочного модуля НАСА InSight Mars, который проработал четыре года, прежде чем разрядился во время своей расширенной миссии в декабре 2022 года. Чтобы отслеживать скорость вращения планеты, авторы исследования полагались на один из инструментов InSight: радиотранспондер и антенны, которые в совокупности называются Экспериментом по вращению и внутренней структуре или RISE. Они обнаружили, что вращение планеты ускоряется примерно на 4 угловых миллисекунды в год, что соответствует сокращению продолжительности марсианских суток на долю миллисекунды в год.
Это тонкое ускорение, и ученые не совсем уверены в его причине. Но у них есть несколько идей, в том числе накопление льда на полярных шапках или послеледниковый отскок, когда массивы суши поднимаются после того, как были погребены под льдом. Сдвиг массы планеты может привести к тому, что она немного ускорится, как фигурист, который вращается с вытянутыми руками, а затем втягивает их. «Это действительно здорово иметь возможность получить это последнее измерение — и так точно», — сказал главный исследователь InSight Брюс Банердт из Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии. «Я долгое время участвовал в попытках доставить на Марс такую геофизическую станцию, как InSight, и такие результаты оправдывают все эти десятилетия работы».
RISE является частью давней традиции марсианских посадочных модулей, использующих радиоволны для науки, включая посадочные модули-близнецы Viking в 1970-х и посадочный модуль Pathfinder в конце 90-х. Но ни в одной из этих миссий не использовались передовые радиотехнологии InSight и модернизация антенн в сети дальнего космоса НАСА на Земле. Вместе эти усовершенствования предоставили данные примерно в пять раз более точными, чем те, которые были доступны для посадочных модулей Viking. В случае с InSight ученые будут передавать радиосигнал на посадочный модуль, используя сеть Deep Space Network. Затем RISE отражал сигнал обратно. Когда ученые получали отраженный сигнал, они искали крошечные изменения частоты, вызванные доплеровским сдвигом (тот же эффект, который заставляет сирену скорой помощи изменять тон по мере приближения и удаления). Измерение сдвига позволило исследователям определить, как быстро вращается планета.
«То, что мы ищем, — это изменения, которые составляют всего несколько десятков сантиметров в течение марсианского года», — сказал ведущий автор статьи и главный исследователь RISE Себастьян Ле Местр из Королевской обсерватории Бельгии. «Потребуется очень много времени и много данных для накопления, прежде чем мы сможем увидеть эти вариации». В документе были рассмотрены данные за первые 900 марсианских дней InSight — достаточно времени, чтобы искать такие вариации. У ученых была задача устранить источники шума: вода замедляет радиосигналы, поэтому влага в земной атмосфере может исказить сигнал, идущий с Марса. То же самое можно сказать и о солнечном ветре, электронах и протонах, выброшенных Солнцем в дальний космос.
«Это исторический эксперимент, — сказал Ле Местр. «Мы потратили много времени и энергии на подготовку к эксперименту и предвосхищение этих открытий. Но, несмотря на это, мы все еще были удивлены в процессе — и это еще не конец, поскольку RISE еще многое может рассказать о Марсе». Данные RISE также использовались авторами исследования для измерения колебания Марса, называемого его нутацией, из-за выплескивания его жидкого ядра. Измерение позволяет ученым определить размер ядра: по данным RISE, ядро имеет радиус примерно 1140 миль (1835 километров). Затем авторы сравнили эту цифру с двумя предыдущими измерениями ядра, полученными с помощью сейсмометра космического корабля. В частности, они смотрели, как сейсмические волны проходят через недра планеты — отражаются ли они от ядра или беспрепятственно проходят через него.
Принимая во внимание все три измерения, они оценивают радиус ядра в диапазоне от 1112 до 1150 миль (от 1790 до 1850 километров). Марс в целом имеет радиус 2106 миль (3390 километров) — примерно половину размера Земли. Измерение колебания Марса также позволило получить подробную информацию о форме ядра. «Данные RISE показывают, что форму ядра нельзя объяснить только его вращением», — сказал второй автор статьи Аттилио Ривольдини из Королевской обсерватории Бельгии. «Эта форма требует областей чуть большей или меньшей плотности, погребенных глубоко в мантии». В то время как ученые будут собирать данные InSight в течение многих лет, это исследование знаменует собой последнюю главу в роли Банердта как главного исследователя миссии. После 46 лет работы в JPL он вышел на пенсию 1 августа.
