Марс оказался устроен значительно менее однородно, чем принято было считать. Анализ данных нескольких орбитальных аппаратов показал, что мантия под южным полушарием Красной планеты может быть на 200–400 градусов Цельсия горячее, чем аналогичные области под северным полушарием. Необычная температурная разница связана с одной из главных загадок Марса — резким различием между его северными равнинами и древними южными высокогорьями.

Получить информацию о недрах Марса напрямую невозможно: бурение на километровые глубины пока недоступно, а существующие посадочные аппараты исследуют лишь поверхностные слои. Поэтому ученым приходится использовать косвенные методы. В новом исследовании таким инструментом стала так называемая приливная томография — анализ очень небольших изменений гравитационного поля планеты, возникающих в ответ на периодическое воздействие Солнца.

Результат оказался неожиданным. Гравитационное поведение Марса не соответствует простой картине сферически симметричной планеты. Наблюдаемые различия указывают на существенную неоднородность мантии, причем ее расположение хорошо совпадает с глобальной границей между северными низменностями и южными возвышенностями.

Марс имеет два очень разных полушария

Одной из наиболее заметных особенностей Красной планеты является так называемая марсианская дихотомия. Северная и южная части Марса отличаются не только внешним видом, но и строением коры.

Северные низменности и южные высокогорья

Большая часть северного полушария представляет собой относительно низкую и геологически молодую по сравнению с южными районами равнинную область. Южное полушарие, напротив, занято более высокими, древними и сильно кратерированными территориями.

Разница проявляется и в толщине коры. В среднем южная кора примерно на 25 километров толще северной. Таким образом, речь идет не о небольшом локальном участке, а о крупномасштабной асимметрии всего Марса.

Происхождение этой дихотомии остается одной из нерешенных проблем планетологии. Среди рассматриваемых вариантов — очень древнее гигантское столкновение, процессы подъема вещества из глубин мантии и различия в том, насколько эффективно северная и южная части планеты теряли внутреннее тепло.

Новое исследование добавляет к этой картине еще одну важную деталь: различие между полушариями прослеживается не только на поверхности, но и глубоко внутри планеты.

Почему поверхность важна для изучения недр

Поверхностная дихотомия сама по себе давно известна. Но установить, насколько глубоко она распространяется, значительно сложнее. Кора может иметь разную толщину и плотность, однако это еще не означает, что аналогичная структура сохраняется в мантии.

Именно поэтому исследователи обратили внимание на изменения гравитационного поля Марса во времени. Если внутреннее строение планеты неоднородно, ее реакция на внешнее гравитационное воздействие также должна отличаться от реакции идеализированного однородного шара.

В данном случае различия оказались достаточно большими, чтобы их нельзя было удовлетворительно объяснить простой сферически симметричной моделью.

Как ученые заглянули внутрь Марса

Ключевую роль сыграли данные трех космических аппаратов: Mars Global Surveyor, Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter. Все они обращались вокруг Марса и отслеживались с Земли. Благодаря этому можно было очень точно определять особенности их движения.

Орбиты аппаратов как инструмент исследования

Гравитационное поле планеты не является абсолютно однородным. Распределение массы внутри Марса влияет на движение находящихся на орбите аппаратов. При этом исследователей интересовали не только постоянные особенности гравитационного поля, но и его небольшие изменения во времени.

Марс движется вокруг Солнца по слегка вытянутой орбите, а его ось вращения наклонена. Поэтому планета испытывает периодическое изменение внешнего гравитационного воздействия. Такая приливная нагрузка вызывает небольшую реакцию внутренних слоев Марса.

Если мантия была бы везде практически одинаковой, характер этой реакции можно было бы описать относительно простой моделью. Но наблюдения показали существенные отклонения.

Исследователи обнаружили, что компоненты изменяющегося во времени гравитационного поля, связанные с определенным пространственным масштабом, отличаются от предсказаний сферически симметричной модели вплоть до 300 процентов. Это не означает, что гравитация Марса в целом «изменилась на 300 процентов». Речь идет о конкретных компонентах небольших временных вариаций гравитационного поля, которые оказались значительно сильнее или слабее ожидаемого значения.

Что такое приливная томография

Метод, использованный в работе, получил название «приливная томография». Его принцип можно сравнить с медицинской томографией только в самом общем смысле: вместо прямого изображения внутренних структур используются измеряемые внешние эффекты, по которым восстанавливаются свойства недр.

В данном случае такими эффектами являются изменения гравитационного поля, связанные с приливным воздействием Солнца. Исследователи сопоставили наблюдаемую реакцию Марса с моделями, описывающими свойства его мантии.

Особенно важно, что на характер реакции влияет не только плотность вещества. Существенную роль играет его механическая жесткость, или способность сопротивляться деформации. А эта характеристика зависит, среди прочего, от температуры.

Именно здесь появляется возможность связать наблюдаемое гравитационное поведение с температурой глубинных слоев Марса.

Под южными высокогорьями может сохраняться огромная температурная разница

Моделирование показало, что наблюдаемые гравитационные особенности можно объяснить значительной разницей в эффективной жесткости мантии между севером и югом. Для согласования моделей с данными требуется латеральное изменение этого свойства более чем на 20 процентов.

Мантия под югом может быть на 200–400 градусов горячее

Наиболее подходящие модели указывают на температурную аномалию примерно в 200–400 градусов Цельсия. Иными словами, область мантии под южными высокогорьями сегодня может оставаться существенно более горячей, чем соответствующая область под северной частью планеты.

Это особенно интересно потому, что Марс давно считается геологически гораздо менее активным, чем Земля. На планете нет глобальной системы тектонических плит, а современная вулканическая активность не наблюдается. Тем не менее внутреннее тепло Марса не исчезло полностью, и новая работа показывает, что оно может быть распределено весьма неравномерно.

При этом температура в данном случае не была непосредственно измерена прибором. Значение в 200–400 градусов является выводом из совокупности гравитационных наблюдений и физических моделей. Поэтому корректнее говорить именно об inferred, то есть выведенной из данных, температурной аномалии, а не о прямом измерении температуры марсианской мантии.

Почему мантия реагирует на температуру

Горячая порода ведет себя иначе, чем более холодная. При одинаковом давлении изменение температуры влияет на механические свойства минералов, в том числе на то, насколько легко вещество деформируется.

Для обычных сейсмических процессов разница температур, необходимая для объяснения наблюдаемого контраста, была бы слишком большой. Однако исследователи использовали реакцию мантии на гораздо более медленные, годовые приливные процессы. На таких временных масштабах свойства минералов становятся значительно чувствительнее к температуре.

Именно это позволяет связать наблюдаемый контраст механических свойств с относительно умеренной по планетарным меркам разницей температур в несколько сотен градусов.

Откуда могла взяться горячая область под югом Марса

Обнаруженная температурная неоднородность сама по себе не отвечает на главный вопрос — почему она существует. Исследователи рассматривают несколько возможных механизмов.

Движение вещества внутри мантии

Один из вариантов связан с конвекцией в мантии. Горячее вещество в глубине планеты может медленно подниматься, тогда как более холодное опускается. Подобные процессы являются фундаментальной частью тепловой эволюции планет земного типа.

Если крупномасштабное движение вещества в марсианской мантии сохранялось достаточно долго, оно могло сформировать или поддерживать асимметричное распределение тепла.

В таком случае сегодняшняя температурная аномалия могла бы быть своеобразным остатком длительной внутренней эволюции Марса.

Толстая южная кора как тепловая «крышка»

Другой вариант непосредственно связан с марсианской дихотомией. Южная кора толще северной, а значит, она может работать как более эффективный теплоизолирующий слой.

Если тепло из глубин южной части Марса отводилось наружу менее эффективно, чем из северной, со временем это могло привести к сохранению существенной температурной разницы между двумя полушариями.

Модели тепловой эволюции показывают, что подобная изоляция способна поддерживать контраст температур порядка нескольких сотен градусов, что согласуется с результатами нового исследования.

Древнее гигантское столкновение остается возможным объяснением

Еще одна возможность связана с происхождением самой марсианской дихотомии. Согласно одной из ведущих гипотез, северные низменности могли сформироваться в результате очень крупного столкновения на раннем этапе истории Марса.

Такое событие могло перераспределить внутреннее тепло планеты. Если северная часть была сильно изменена столкновением, она могла эффективнее потерять тепло и остыть, тогда как южная мантия сохранила больше энергии.

Однако новое исследование не доказывает, что именно столкновение создало наблюдаемую сегодня температурную асимметрию. Происхождение северо-южной дихотомии по-прежнему остается открытым вопросом.

Что еще может объяснить необычное строение Марса

Температурная аномалия интересна не только сама по себе. Она помогает связать сразу несколько независимых особенностей Красной планеты.

Данные сейсмометра InSight

Посадочный аппарат InSight, завершивший работу в декабре 2022 года, впервые позволил изучать внутреннее строение Марса с помощью сейсмических волн. Сейсмометр зарегистрировал марсотрясения и показал, что сейсмические волны в южной части планеты затухают быстрее.

Повышенная температура может способствовать более сильному затуханию сейсмических волн. Поэтому новые результаты дают возможное объяснение одной из особенностей, обнаруженных с помощью InSight.

Это не означает, что сейсмические наблюдения сами по себе доказали существование горячей мантии. Скорее, два независимых направления исследований оказываются совместимыми с одной и той же картиной внутреннего строения.

Загадочные магнитные аномалии

Еще одна особенность сосредоточена преимущественно в южном полушарии. Марс сегодня не обладает глобальным магнитным полем, однако более четырех миллиардов лет назад оно существовало.

В древних железосодержащих минералах сохранились остаточные магнитные признаки этого прошлого поля. Их распределение давно представляет интерес для исследователей.

Если горячее вещество мантии поднималось в южной части планеты и нагревало расположенную выше кору, это могло повлиять на сохранение или потерю магнитных свойств некоторых минералов. Температура, при которой материал теряет способность сохранять определенное остаточное намагничивание, играет здесь важную роль.

Новая модель не превращает эту гипотезу в доказанный факт, но показывает, что температурная асимметрия может быть связана с несколькими особенностями южного Марса.

Может ли под поверхностью Марса находиться расплавленная порода

Одним из наиболее интригующих следствий повышенной температуры является возможность частичного плавления вещества в отдельных областях мантии. Однако здесь особенно важно не делать более сильный вывод, чем позволяют данные.

Температурная аномалия в 200–400 градусов не означает автоматически, что под южными высокогорьями существует огромный резервуар магмы. Результаты исследования указывают на более горячую мантию, а вопрос о наличии локальных областей частичного расплава требует дополнительных данных.

Именно поэтому корректнее говорить о потенциальной возможности локального плавления, а не о доказанном существовании подземного океана магмы.

Для ответа на этот вопрос потребуются дополнительные наблюдения, способные лучше различать горячую твердую мантию и участки, где присутствует расплав.

Что открытие говорит о прошлом Марса

Внутреннее тепло определяет эволюцию каменистых планет. Оно влияет на вулканизм, движение вещества в мантии, состояние коры и то, насколько долго планета сохраняет геологическую активность.

Для Марса этот вопрос особенно важен. На поверхности Красной планеты сохранились многочисленные свидетельства того, что в далеком прошлом она была значительно более геологически активной, чем сегодня. Огромные вулканические сооружения, древние лавовые равнины, разломы и другие структуры свидетельствуют о сложной внутренней истории.

Если значительная температурная асимметрия действительно существует до сих пор, она означает, что ранняя эволюция Марса оставила более глубокий след, чем предполагалось.

Особенно важен тот факт, что предполагаемая горячая область совпадает с южным полушарием, где расположена древняя и толстая кора. Это дает возможность изучать поверхность и внутреннее строение Марса не как две независимые системы, а как части единого геологического процесса.

Новая картина внутреннего Марса

До сих пор многие модели планетарных недр в качестве первого приближения предполагают, что планета в целом устроена примерно сферически. Это удобное математическое описание, но реальные планеты могут сохранять крупномасштабные неоднородности, возникшие на ранних этапах их формирования.

Марс, судя по новым данным, является хорошим примером такого случая. Его северная и южная части различаются на поверхности, в строении коры и, вероятно, в температуре мантии.

При этом пока нельзя утверждать, что все эти особенности имеют одну и ту же причину. Поверхностная дихотомия могла возникнуть одним процессом, а современная температурная асимметрия — поддерживаться другим. Возможно также, что оба явления связаны общей древней историей планеты.

Именно эта неопределенность делает результат особенно интересным. Исследование не просто предлагает еще одну цифру о температуре Марса, а дает новый способ проверить различные сценарии его геологической эволюции.

Приливная томография пригодится не только для Марса

Метод имеет значение и за пределами Красной планеты. Если небольшие изменения гравитационного поля действительно позволяют восстанавливать особенности внутреннего строения, аналогичный подход потенциально можно применять к другим планетам и крупным спутникам.

Авторы рассматривают возможность использования приливной томографии для исследования Меркурия и крупных спутников Юпитера. В таких случаях метод может дополнить сейсмические измерения, данные о гравитационном поле, магнитном поле и другие наблюдения.

Особенно ценно то, что для такого анализа не обязательно доставлять прибор непосредственно к поверхности или бурить планету. Точная навигация космических аппаратов сама становится инструментом исследования глубин.

Будущие миссии с более точным отслеживанием движения аппаратов смогут улучшить трехмерную картину внутренних неоднородностей. Для Марса это может помочь выяснить, насколько широко распространена обнаруженная температурная аномалия и связана ли она с локальными областями частичного плавления.

Главная загадка Марса стала еще глубже

Новое исследование показывает, что знаменитая марсианская дихотомия может иметь гораздо более глубокое выражение, чем различия рельефа. Под южными высокогорьями, согласно моделям, может сохраняться область мантии, температура которой на сотни градусов выше, чем под северными низменностями.

При этом ученые пока не знают, какой именно процесс создал и поддерживает эту асимметрию. Среди возможных объяснений остаются древнее гигантское столкновение, конвективные процессы в мантии и теплоизоляция, создаваемая более толстой южной корой. Ни один из этих сценариев пока не получил окончательного подтверждения.

Сам результат также следует воспринимать как реконструкцию внутреннего состояния Марса, полученную по гравитационным данным и физическим моделям, а не как прямое измерение температуры. Тем не менее согласованность с некоторыми особенностями сейсмических и магнитных данных делает картину особенно перспективной для дальнейшей проверки.

Марс все чаще предстает не как давно остывший и полностью геологически «мертвый» мир, а как планета, в недрах которой до сих пор могут сохраняться крупные следы ее древней тепловой истории. Новые измерения гравитации способны постепенно превратить эти косвенные признаки в более подробную карту того, что происходит глубоко под поверхностью Красной планеты.

Источники:
Статья создана по материалам Space.com