Forskere simulerer Mars kerne for at undersøge dens sammensætning og oprindelse

Jordbaserede eksperimenter på jern-svovl-legeringer, der menes at udgøre Mars' kerne, afslører detaljer om planetens seismiske egenskaber for første gang. Disse oplysninger vil blive sammenlignet med observationer foretaget af rumsonder fra Mars i den nærmeste fremtid. Hvorvidt resultaterne mellem eksperiment og observation falder sammen eller ej, vil enten bekræfte eksisterende teorier om Mars' sammensætning eller sætte spørgsmålstegn ved historien om dens oprindelse.

Mars er en af ​​vores nærmeste jordiske naboer, men det er stadig meget langt væk - mellem omkring 55 millioner og 400 millioner kilometer, afhængig af hvor Jorden og Mars er i forhold til solen. I skrivende stund, Mars er omkring 200 millioner kilometer væk, og under alle omstændigheder det er ekstremt svært, dyrt og farligt at komme til. Af disse grunde, det er nogle gange mere fornuftigt at undersøge den røde planet gennem simuleringer her på Jorden, end det er at sende en dyr rumsonde eller, i fremtiden, mennesker.

Keisuke Nishida, en assisterende professor fra University of Tokyos afdeling for jord- og planetvidenskab på tidspunktet for undersøgelsen, og hans team studerer Mars' indre funktion og sammensætning via seismiske data, der ikke kun afslører planetens nuværende tilstand, men også foreslå sin fortid, inklusive dens oprindelse.

"Udforskningen af ​​Jordens dybe indre, Mars og andre planeter er en af ​​videnskabens store grænser, " sagde Nishida. "Det er fascinerende, delvist på grund af de skræmmende skalaer, der er involveret, men også på grund af, hvordan vi undersøger dem sikkert fra jordens overflade."

I lang tid har det været en teori om, at Mars kerne sandsynligvis består af en jern-svovl-legering. Men i betragtning af hvor utilgængelig Jordens kerne er for os, direkte observationer af Mars' kerne vil sandsynligvis skulle vente noget tid. Det er derfor, seismiske detaljer er så vigtige, som seismiske bølger, beslægtet med enormt kraftige lydbølger, kan rejse gennem en planet og give et glimt indeni, dog med nogle forbehold.

"NASA's Insight-sonde er allerede på Mars og indsamler seismiske aflæsninger, sagde Nishida. selv med de seismiske data, der manglede en vigtig information, uden hvilken dataene ikke kunne fortolkes. Vi havde brug for at kende de seismiske egenskaber af den jern-svovllegering, der menes at udgøre Mars' kerne."

Nishida og teamet har nu målt hastigheden for det, der er kendt som P-bølger (en af ​​to typer seismiske bølger, den anden er S-bølger) i smeltede jern-svovllegeringer.

"På grund af tekniske forhindringer, det tog mere end tre år, før vi kunne indsamle de ultralydsdata, vi havde brug for, så jeg er meget glad for, at vi nu har det, " sagde Nishida. "Udvalget er ekstremt lille, hvilket kan overraske nogle mennesker i betragtning af den enorme skala på planeten, vi effektivt simulerer. Men højtrykseksperimenter i mikroskala hjælper med at udforske makroskalastrukturer og langtidsskala evolutionære historier om planeter."

En smeltet jern-svovl-legering lige over dets smeltepunkt på 1, 500 grader Celsius og underlagt 13 gigapascal tryk har en P-bølgehastighed på 4, 680 meter i sekundet; dette er over 13 gange hurtigere end lydens hastighed i luft, hvilket er 343 meter i sekundet. Forskerne brugte en enhed kaldet en Kawai-type multiamboltpresse til at komprimere prøven til sådanne tryk. De brugte røntgenstråler fra to synkrotronanlæg, KEK-PF og SPring-8, for at afbilde prøverne for derefter at beregne P-bølgeværdierne.

"Med vores resultater, forskere, der læser seismiske data fra Mars, vil nu være i stand til at fortælle, om kernen primært er jern-svovllegering eller ej, " sagde Nishida. "Hvis det ikke er, det vil fortælle os noget om Mars' oprindelse. For eksempel, hvis Mars' kerne omfatter silicium og ilt, det tyder på, at som Jorden, Mars blev udsat for en enorm nedslagsbegivenhed, da den blev dannet. Så hvad er Mars lavet af, og hvordan blev det dannet? Jeg tror, ​​vi er ved at finde ud af det."

Undersøgelsen er publiceret i Naturkommunikation .