Ученые обнаружили твердое внутреннее ядро Марса
Ученые совершили открытие, которое может изменить наше понимание внутреннего устройства планет земной группы. Впервые за всю историю исследований космоса им удалось обнаружить и подтвердить существование твердого внутреннего ядра у планеты, отличной от Земли. Это ядро, расположенное в самом сердце Красной планеты, имеет радиус около 600 километров и стало ключом к разгадке одной из самых загадочных глав в истории Марса — исчезновения его магнитного поля. Открытие, опубликованное в журнале Nature, не только проливает свет на глубинную структуру Марса, но и открывает новую эпоху в планетарной сейсмологии, демонстрируя, как даже слабые сигналы с далеких миров могут стать источником глубоких прозрений.
Марс давно стал одним из главных объектов изучения в рамках космических миссий, направленных на понимание формирования и эволюции планет. Однако, несмотря на многочисленные спускаемые аппараты, орбитальные станции и роверы, проникнуть вглубь Марса оказалось чрезвычайно сложно. В отличие от Земли, где сеть сейсмических станций позволяет детально отслеживать внутренние процессы, на Марсе таких возможностей крайне мало. С момента посадки миссии NASA InSight в 2018 году и до ее завершения в 2022 году было зарегистрировано более тысячи марсотрясений, но большинство из них были слабыми, а сигналы — искаженными шумами и помехами, что затрудняло их интерпретацию.
Именно в этих сложных условиях группа ученых под руководством Сунь Даоюаня и Мао Чжу из Китайского университета науки и технологий предприняла амбициозную попытку проникнуть в тайны марсианского ядра. Используя передовые методы анализа массивов сейсмических данных, команда сосредоточилась на 23 наиболее четких событиях — марсотрясениях с высоким отношением сигнал/шум. Применение сложных алгоритмов позволило извлечь редкие и слабые фазы сейсмических волн, проходящих через центральную часть планеты. Эти волны, отражаясь и преломляясь при переходе между разными слоями, несли информацию о плотности, упругости и агрегатном состоянии материалов, скрытых под тысячами километров коры и мантии.
Результаты оказались революционными. Анализ показал, что ядро Марса имеет слоистую структуру: внешняя часть представляет собой жидкое ядро, в основном состоящее из расплавленного железа и никеля, а внутри него скрывается твердое внутреннее ядро диаметром около 600 км — примерно одна пятая от общего радиуса планеты. Это открытие стало первым прямым доказательством того, что процесс дифференциации, при котором тяжелые материалы опускаются к центру планеты, а легкие поднимаются, происходил на Марсе, как и на Земле. Более того, если бы Марс был масштабирован до размеров Земли, пропорции его внутреннего и внешнего ядер оказались бы поразительно схожими с земными, что указывает на универсальность процессов планетообразования в Солнечной системе.
Особое внимание ученые уделили скачку в скорости сейсмических волн на границе между жидким и твердым ядром — около 30-процентному увеличению, что свидетельствует о резком изменении физических свойств вещества. Одновременно была зафиксирована разница в плотности между слоями — около 7 процентов. Эти данные позволили команде провести моделирование химического состава внутреннего ядра. Оказалось, что оно состоит не только из железа и никеля, но и содержит значительное количество легких элементов: от 12 до 16 процентов серы, от 6,7 до 9 процентов кислорода и до 3,8 процента углерода. Такой состав объясняет, почему температура плавления ядра ниже, чем у чистого железа, и почему оно смогло начать кристаллизоваться при относительно низких температурах, несмотря на меньший размер планеты по сравнению с Землей.
Это открытие имеет глубокие последствия для понимания магнитного поля Марса. Ранее считалось, что у Марса когда-то было глобальное магнитное поле, подобное земному, которое защищало атмосферу от солнечного ветра. Однако около 4 миллиардов лет назад это поле исчезло, что привело к постепенной эрозии атмосферы и превращению планеты в холодную и сухую пустыню. Новое исследование предлагает объяснение: твердое внутреннее ядро могло начать формироваться позже, чем у Земли, и, возможно, его рост был недостаточным для поддержания длительного геодинамо-эффекта — процесса, при котором движение расплавленного металла в ядре генерирует магнитное поле. Таким образом, постепенное затвердевание ядра и изменение конвекции в жидкой внешней части могли стать причиной ослабления и окончательного исчезновения магнитного щита Марса.
Значение этого открытия выходит далеко за рамки одной лишь планеты. Оно подтверждает, что процессы, происходящие в глубинах планет, могут быть универсальными, но их масштаб и продолжительность зависят от размера, состава и тепловой истории объекта. Сравнение Марса и Земли теперь становится не просто геологическим упражнением, а ключом к пониманию того, почему одни планеты остаются геологически активными, а другие «засыпают». Кроме того, разработанные в ходе исследования методы анализа слабых сейсмических сигналов открывают новые горизонты для будущих миссий. Эти технологии могут быть применены при изучении Луны, астероидов и даже ледяных спутников Юпитера и Сатурна, где также предполагается наличие внутренних океанов и ядер.
Рецензенты журнала Nature высоко оценили работу, отметив ее методологическую строгость и научную значимость. «Авторы проделали кропотливую работу, используя несколько рабочих линий доказательств для анализа фазовой детекции. Марсианская сейсмология — довольно сложная область, поэтому поздравляем авторов с такой тщательной и кропотливой работой», — подчеркнул один из рецензентов. Действительно, это исследование стало примером того, как международное сотрудничество, передовые технологии и настойчивость в анализе данных могут привести к прорыву, меняющему наши представления о Вселенной.
Таким образом, открытие твердого внутреннего ядра Марса — это не просто еще одна научная веха. Это шаг к пониманию того, как формируются и эволюционируют планеты, почему одни становятся пригодными для жизни, а другие — нет.