Een verrassing op Mars

Een waarnemer op Mars zou de maan Phobos om de vijf uur van west naar oost langs de hemel zien bewegen. Ongeveer eenmaal per aards jaar beweegt de baan van Phobos tussen de Zon en een bepaald punt op Mars. Elke keer als dit gebeurt veroorzaakt dit binnen een tijdsbestek van drie dagen één tot zeven zonsverduisteringen. Een plaats waar dit gebeurt is de locatie van de InSight-lander van de NASA die zich sinds november 2018 in de regio Elysium Planitia bevindt.

Met andere woorden, dit fenomeen komt veel vaker voor dan op Aarde als onze Maan voorlangs de Zon beweegt. De verduisteringen op Mars duren echter slechts 30 seconden en ze zijn nooit volledig. Foto’s die de twee Marsrovers Opportunity en Curiosity van de verduisteringen hebben gemaakt tonen ook een scherpomlijnde bult tegen een achtergrond van de Zon.

Maar foto’s zijn niet de enige manier om deze transities waar te nemen. Als er op Aarde sprake is van een zonsverduistering dan kunnen instrumenten een temperatuursverandering waarnemen en zien ze ook grote veranderingen in windsnelheden. Dit komt omdat de atmosfeer op een specifieke plek snel afkoelt en lucht zich van die lek af beweegt. Een analyse van de gegevens van de InSight zou moeten uitwijzen of soortgelijke effecten ook op Mars waarneembaar zijn.

Wachten op 24 april 2020

In april 2020 was de eerste serie zonsverduisteringen zichtbaar vanaf de locatie van de InSight maar helaas werden lang niet alle gegevens bewaard. Uit de schaarse gegevens leidden de onderzoekers wel af dat ze zich goed moesten voorbereiden op de volgende serie verduisteringen die op 24 april 2020 zouden plaatsvinden. De resultaten van deze laatste bevindingen werden in augustus in het tijdschrift Geophysical Research Letters gepubliceerd.

Zoals verwacht registreerden de zonnecellen van de InSight de verduisteringen. Als Phobos voorlangs de Zon beweegt dan ontvangen de zonnecellen een korte tijd iets minder zonlicht waardoor ze ook iets minder elektriciteit produceren. De afname in de blootstelling aan licht die wordt veroorzaakt door de schaduw van Phobos kan worden gemeten.

En inderdaad zakte de hoeveelheid zonlicht tijdens een verduistering met ongeveer 30 procent. Echter de weerinstrumenten van de InSight registreerden geen atmosferische veranderingen en de wind veranderde niet zoals verwacht. Andere instrumenten zorgden echter voor een verrassing: de seismometer en de magnetometer registreerden een effect.

Ongebruikelijk signaal van de seismometer

De verandering van het signaal van de magnetometer is hoogst waarschijnlijk te wijten aan de afname van de elektriciteit van de zonnecellen. De veranderende seismometerwaarde was echter geheel onverwacht. Dat is volgens de onderzoekers een ongebruikelijk signaal.

Normaal gesproken zou het instrument, bevingen op de planeet moeten registreren. Tot dusver heeft de Marsquake Service ongeveer 40 conventionele marsbevingen geregistreerd waarvan de sterkste een magnitude van 3,8 registreerde. Daarnaast werden er enkele honderden plaatselijke, oppervlakkige aardbevingen geregistreerd.

Wat tijdens de zonsverduistering verrassend was, was dat de seismometer een beetje in een bepaalde richting kantelde. Deze kanteling is enorm klein. De helling is ongeveer 10^-8. Dat komt overeen met twee atomen onder de rand van een muntje. Hoe gering dit effect ook was, het was onmiskenbaar aanwezig en meetbaar.

De meest voor de hand liggende verklaring zou de zwaartekracht van Phobos zijn, vergelijkbaar met hoe de Maan van de Aarde de getijden veroorzaakt. Maar dit werd al snel door de onderzoekers uitgesloten. Als dit de verklaring zou zijn dan zou het seismometersignaal langer aanwezig zijn en ook elke vijf uur als Phobos zijn passage maakt zichtbaar moeten zijn en niet alleen tijdens verduisteringen. Onderzoekers bepaalden de meest waarschijnlijke verklaring van de kanteling: tijdens de verduistering koelt de grond een beetje af. De bodem vervormt ongelijk waardoor het instrument kantelt.

Een infraroodsensor heeft namelijk inderdaad een afkoeling van de grond op Mars gemeten. Deze afkoeling bedroeg twee graden. Uit berekeningen bleek dat in de 30 seconden van de zonsverduistering het “koudefront” de grond slechts tot op een diepte van micro- of millimeters kon doordingen. Dit effect was echter wel voldoende om aan de seismometer te trekken.

Experimenten in een oude zilvermijn

Een waarneming op Aarde ondersteunt de theorie van de onderzoekers. Bij de Zwarte Woud-sterrenwacht die zich in een verlaten zilvermijn in Duitsland bevindt werd een vergelijkbaar fenomeen ontdekt. Tijdens een seismometertest vergat iemand om het licht uit te doen.

De warmte die deze lamp van 60 Watt afgaf was voldoende om diep onder de grond de bovenste laag van het graniet op te warmen. Die laag zette een heel klein beetje uit waardoor de seismometer een hele klein beetje naar een kant kantelde.

Wetenschappers zouden het kleine kantelsignaal van Mars moeten kunnen gebruiken om de baan van Phobos met een grotere precisie in kaart te brengen dan voorheen mogelijk was. De positie van InSight op Mars is de nauwkeurigste positiebepaling die we hebben. Als wetenschappers precies weten wanneer een verduistering voor Phobos begint en eindigt dan kunnen ze de baan zeer nauwkeurig berekenen.

Dit is belangrijk voor toekomstige ruimtemissies. Zo wil bijvoorbeeld de Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA in 2024 een verkenner naar de manen van mars sturen en materiaal van Phobos naar de Aarde halen. Omdat te kunnen doen zullen ze zeer precies moeten weten waar ze naar toe moeten vliegen.

Wat leren ons die precieze baangegevens?

Precieze gegevens over de baan van Phobos zouden ook meer licht kunnen werpen op de innerlijke werking van Mars. Terwijl onze Maan haar impulsmoment blijft krijgen (om de Aarde blijft draaien en niet wordt “weggeschoten”) en gestaag van de Aarde af beweegt vertraagt Phobos en valt het maantje geleidelijk terug naar Mars. Over ongeveer 30 tot 50 miljoen jaar zal Phobos op het oppervlak van Mars neerstorten.

Astronomen kunnen de lichte vertraging gebruiken om in te schatten hoe elastisch en dus hoe warm het binnenste van Mars is. Koud materiaal is altijd elastischer dan heet materiaal. Uiteindelijk willen de onderzoekers weten of Mars is gemaakt van hetzelfde materiaal als de Aarde of dat de verschillende componenten zouden kunnen verklaren waarom er op Aarde plaattektoniek voorkomt, een dichte atmosfeer heeft en levensomstandigheden ondersteunen. Allemaal kenmerken die Mars mist.

Onderzoeksrapport: “Geophysical observations of Phobos transits by In Sight”

Eerste publicatie: 7 september 2020
Bron: SpaceDaily en anderen