NASA InSight-studie vindt dat Mars sneller draait

Wetenschappers hebben de meest nauwkeurige metingen ooit gedaan van de rotatie van Mars, voor het eerst detecterend hoe de planeet wiebelt als gevolg van het “klotsen” van zijn gesmolten metalen kern. De bevindingen, gepubliceerd in een recent artikel in nature, zijn gebaseerd op gegevens van de InSight Mars-pander van de NASA die vier jaar werkte voordat hij zonder stroom kwam te zitten tijdens zijn verlengde missie in december 2022.

Om de draaisnelheid van de planeet te volgen vertrouwden de auteurs van de studie op een van de instrumenten van InSight: een radiotransponder en antennes die gezamenlijk het Rotation and Interior Structure Experiment oftewel RISE worden genoemd. Ze ontdekten dat de rotatie van de planeet met ongeveer 4 milliboogseconden per jaar versnelt, wat overeenkomt met een verkorting van de lengte van de Marsdag met een fractie van een milliseconde per jaar.

Het is een subtiele versnelling en wetenschappers zijn niet helemaal zeker van de oorzaak. Maar ze hebben een paar ideeën, waaronder ijs dat zich ophoop op de poolkappen of postglaciale rebound, waar landmassa’s stijgen nadat ze door ijs zijn begraven. De verschuiving in de massa van een planeet kan ervoor zorgen dat deze een beetje versnelt zoals een schaatser die met gestrekte armen ronddraait en vervolgens zijn armen naar binnen trekt.

Hoe RISE werkt

RISE maakt deel uit van een lange traditie van Mars-landers die radiogolven gebruiken voor de wetenschap, waaronder de twee Vikinglanders in de jaren ’70 en de Pathfinderlander aan het eind van de jaren ’80. Maar geen van die missies had het voordeel van de geavanceerde radiotechnologie van InSight en upgrades van de antennes binnen NASA’s Deep Space Network op Aarde. samen leverden deze verbeteringen gegevens op die ongeveer vijf keer nauwkeuriger waren dan wat beschikbaar was voor de Vikinglanders.

In het geval van InSight zouden wetenschappers een radiosignaal naar de lander sturen met behulp van het Deep Space Network. RISE zou dan het signaal terugkaatsen. Wanneer wetenschappers het gereflecteerde signaal ontvingen zochten ze naar kleine veranderingen in frequentie veroorzaakt door de Dopplerverschuiving (hetzelfde effect dat er voor zorgt dat een ambulancesirene van toonhoogte verandert naarmate deze dichterbij en verder weg komt). Door de verschuiving te meten konden de onderzoekers bepalen hoe snel de planeet draait.

“Waar we naar op zoek zijn, zijn variaties die slechts enkele tientallen centimeters zijn in de loop van een Marsjaar,” zei hoofdauteur van het artikelen hoofdonderzoeker van RISE, Sebastien Le Maistre van de Koninklijke Sterrenwacht in België. “Het duurt erg lang en veel gegevens om te verzamelen voordat we deze variaties zelfs maar kunnen zien.”

Het artikel onderzocht gegevens van de eerste 900 Marsdagen van InSight – genoeg tijd om naar dergelijke variaties te zoeken. Wetenschappers hadden hun werk gedaan om bronnen van ruis te elimineren: water vertraagt radiosignalen, dus vocht in de atmosfeer van de Aarde kan het signaal dat terugkomt van Mars vervormen. Dat geldt ook voor de zonnewind, de elektronen en protonen die vanaf de Zon de verre ruimte in worden geslingerd.

Volgens Le Maistre is het een historisch experiment en heeft men veel tijd en energie gestoken in het voorbereiden van het experiment en het anticiperen op deze ontdekkingen. Maar desondanks waren ze onderweg nog steeds verrast – en het is nog niet voorbij want RISE heeft nog steeds veel te onthullen over Mars.

Metingen van de kern van Mars

RISE-gegevens werden ook gebruikt door de auteurs van het onderzoek om de wiebeling van Mars te meten – de nutatie genoemd – als gevolg van klotsen in de vloeibare kern. De meting stelt wetenschappers in staat om de grootte van de kern te bepalen: op basis van RISE-gegevens heeft de kern een straal van ongeveer 1835 kilometer.

De auteurs vergeleken dat cijfer vervolgens met twee eerdere metingen van de kern afgeleid van de seismometer van de ruimtesonde. In het bijzonder keken ze naar hoe seismische golven door het binnenste van de planeet reisden – of ze nu weerkaatsen op de kern of er ongehinderd doorheen gingen.

Rekening houdend met alle drie de metingen, schatten ze de straal van de kern tussen 1790 en 1850 kilometer. Mars als geheel heeft een straal van 3390 kilometer – ongeveer de helft van de grootte van die van de Aarde.

Het meten van de wiebeling van Mars leverde ook details op over de vorm van de kern. De gegevens van RISE geven aan dat de vorm van de kern niet alleen kan worden verklaard door de rotatie. Die vorm vereist gebieden met een iets hogere of lagere dichtheid die diep in de mantel zijn begraven, aldus Attilo Rivoldini van de Koninklijke Sterrenwacht van België en tweede auteur van het onderzoek.

Artikel: Sébastien Le Maistre et al, Spin state and deep interior structure of Mars from InSight radio tracking, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06150-0

Eerste publicatie: 8 augustus 2023
Bron: NASA/Nature