Wie ein NASA-Lander Geheimnisse entschlüsselte, die unter der Marsoberfläche lagen

Das Leben des Mars-InSight-Landers ging letztes Jahr zu Ende , da seine Solarpaneele mit Staub bedeckt waren und seine Stromversorgung langsam zur Neige ging. Nach vier Jahren Forschung und Datenerfassung erklärte die NASA im Dezember 2022 offiziell das Ende der Mission.

Insight hinterlässt jedoch ein unglaubliches Erbe, da es den bisher besten Einblick in das Innere des Mars ermöglichte und das erste Mal war, dass ein Seismometer auf einem anderen Planeten eingesetzt wurde. Um zu erfahren, wie ein einzelner kleiner Lander einen ganzen Planeten durchblicken konnte, sprachen wir mit zwei führenden Wissenschaftlern des InSight-Teams, Catherine Johnson von der University of British Columbia und Mark Panning vom Jet Propulsion Laboratory der NASA.

Warum das Innere des Mars studieren?

Das Innere eines Planeten wie des Mars kennenzulernen, ist nicht nur eine abstrakte Kuriosität. Um Themen von der Atmosphäre eines Planeten bis zu seiner Geschichte zu verstehen, müssen wir tatsächlich sein Inneres verstehen. „Wenn Sie verstehen wollen, wie sich der Mars entwickelt hat – warum hatte er früher eine andere Atmosphäre als heute? Warum gab es in der Vergangenheit ein anderes Ausmaß an Vulkanismus als in jüngerer Zeit? – Man muss die innere Struktur verstehen“, sagte Johnson.

Aber es ist schwierig genug, Proben von der Marsoberfläche mithilfe von Rovern zu analysieren – wie kann man überhaupt sagen, wie das Innere eines Hunderte Millionen Kilometer entfernten Planeten aussieht? Glücklicherweise haben wir eine Vorstellung davon, wie wir das bewerkstelligen können, denn wir haben Erfahrung aus der Erforschung der Erde. Wir lernen die innere Struktur der Erde kennen, indem wir beobachten, wie sich seismische Wellen durch den Planeten ausbreiten, und das Gleiche können wir auch auf dem Mars tun.

Das war der Grund für den Einbau eines Seismometer-Instruments in den InSight-Lander, der das erste Seismometer war, das jemals auf einem anderen Planeten gelandet ist. Und die Ergebnisse waren, wenn Sie das Wortspiel entschuldigen, nicht von dieser Welt.

Von Erdbeben erschüttert

Auf der Erde gibt es tektonische Platten, die sich im Laufe von Millionen von Jahren verschieben und bewegen, sodass es zu Erdbeben kommt, wenn sie aneinander reiben. Auf dem Mars gibt es heute keine Plattentektonik, aber er wird von ähnlichen Beben, sogenannten Marsbeben, erschüttert. Das bedeutet, dass das richtige Instrument diese Beben und die Art und Weise, wie sie im Inneren des Planeten herumprallen, untersuchen kann, um mehr über seine Struktur zu erfahren.

Um winzige Erschütterungen an der Oberfläche zu erkennen, braucht man keinen Rover, der sich bewegt. Stattdessen möchten Sie etwas, das über Monate oder Jahre hinweg genau am selben Ort bleibt, weshalb InSight ein stationärer Lander ist. Außerdem liegt es in einer sehr ruhigen Gegend.

Wenn es um die Auswahl eines Landeplatzes für seismische Messungen geht, „möchten Sie grundsätzlich einen möglichst langweiligen Ort haben“, sagte Johnson. „Und so leise wie möglich, weil man diese unglaublich empfindlichen Messungen durchführt.“

Um den täglichen Umgebungsunterschieden Rechnung zu tragen, misst InSight mithilfe von Wettersensoren auch Faktoren wie Temperatur, Druck und Windgeschwindigkeit, sodass diese Faktoren von den seismischen Daten abgezogen werden können. Als Bonus bedeutet dies, dass InSight auch eine winzig kleine Mars-Wetterstation ist und jahrelange Daten über das Wetter in der Region Elysium Planitia, in der sie sich befindet, liefert.

So messen Sie ein Marsbeben

Seismometer sind ein ziemlich einfaches Gerät, und wenn man bedenkt, wie viel Erfahrung wir mit ihnen auf der Erde haben, ist die Anpassung an den Mars konzeptionell einfach. Die Konstrukteure mussten sich an die unterschiedliche Schwerkraft anpassen und das Instrument musste extrem empfindlich sein, um kleine Erschütterungen zu erkennen. Aber das war der einfache Teil.

Der schwierige Teil bestand darin, nur eines davon zu nutzen. Als Sie in der Schule waren, haben Sie vielleicht gelernt, dass die Messung eines Erdbebens drei Stationen erfordert, damit Sie seinen Ursprung triangulieren können. Aber es sollte nur einen Lander auf dem Mars geben, und dieser musste alle erforderlichen Daten ganz alleine sammeln.

„Es gibt Möglichkeiten, Erdbeben mit einer einzigen Station zu lokalisieren“, sagte Panning, aber das geschieht normalerweise nicht auf diese Weise. Herauszufinden, wie effektiv dieser Ansatz auf dem Mars sein würde, war daher ein wichtiger Faktor für die Annahme der Mission. „Wir haben viel Zeit damit verbracht, darüber zu reden, wie gut wir Ereignisse mit nur einer einzigen Station lokalisieren können.“

Es war nicht einfach, die Menschen davon zu überzeugen, dass InSight allein in der Lage sein würde, nützliche Informationen zu erkennen, insbesondere wenn man bedenkt, dass noch nie ein Seismometer auf einem anderen Planeten platziert worden war. Doch seit der Landung auf dem Mars im Jahr 2018 konnte es Hunderte seismischer Ereignisse aufzeichnen. „Die Geschichte hat uns bestätigt“, sagte Panning. „Wir konnten viele Beben lokalisieren.“

Seismische Wellen verstehen

Um zu verstehen, wie InSight funktioniert, müssen Sie seismische Wellen verstehen. Es gibt zwei Arten seismischer Wellen, P- und S-Wellen genannt. Wenn Wellen den Planeten durchqueren, können sie sich auf unterschiedliche Weise bewegen: Bei P-Wellen bewegt sich das Material in derselben Richtung, in die sich die Welle bewegt, vor und zurück. Bei S-Wellen bewegt sich das Material im Vergleich zur Wellenrichtung hin und her.

Denken Sie an einen Slinky. Sie können Wellen entlang der Länge des Slinky schieben, was einer P-Welle entspricht, oder Sie können den Slinky hin und her bewegen, was einer S-Welle entspricht.

InSight könnte beide Arten von Wellen erkennen und sie nutzen, um die Quelle eines Marsbebens zu ermitteln. Um herauszufinden, wie weit entfernt ein Beben seinen Ursprung hat, kann man sich den Zeitpunkt ansehen, zu dem die seismischen Wellen das Landegerät erreicht haben, da sich die beiden Arten von Wellen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten. Der zeitliche Abstand zwischen dem Eintreffen der P-Wellen und der S-Wellen gibt Ihnen die Entfernung.

Etwas komplizierter ist es, den Ort der Quelle herauszufinden. Der Prozess nutzt eine Eigenschaft namens Polarisation der seismischen Wellen, die sich auf die Bewegungsrichtung innerhalb der Welle bezieht. „Wenn also beispielsweise eine P-Welle aus dem Osten eintrifft, bewegen sich ihre Teilchenbewegungen in Ost-West-Richtung. Sie werden nicht von Norden nach Süden gehen“, erklärte Panning.

Anhand dieser Polarisation können Sie die Richtung ermitteln, aus der eine Welle kommt. „Wenn wir also wissen, wie weit das Beben vom Zeitpunkt der P- und S-Achse entfernt ist, und wir anhand der Polarisation der Wellen wissen, aus welcher Richtung es kam, erhalten wir einen Standort“, sagte Panning.

Blick ins Innere

Sobald Sie die Quelle eines Bebens lokalisieren können, können Sie diese Informationen nutzen, um mehr über das Innere des Planeten zu erfahren. Wir wissen, dass die innere Struktur des Mars aus Schichten besteht, die aus einem geschmolzenen Kern, einem Mantel und einer Kruste bestehen. Aber vor InSight wussten wir nicht genau, wie dick jede Schicht war.

So abstrakt es auch klingen mag, das Verständnis des tiefen Inneren des Planeten ist entscheidend für das Verständnis aller möglichen Themen von der Geschichte des Planeten bis zu seinem heutigen Zustand. „Wie sich der Planet abgekühlt hat und was mit ihm passiert ist, könnte er in der Vergangenheit ein Magnetfeld gehabt haben, könnte er heute eines haben – solche Fragen hängen entscheidend vom tiefen Inneren ab“, sagte Johnson.

Daher nutzte InSight Daten von Marsbeben, um die Tiefe der Schichten zu messen. Da jede Schicht unterschiedliche Materialeigenschaften aufweist, interagiert jede in unterschiedlichen Wellen mit seismischen Wellen. Und das ermöglicht es den Forschern, die Dicke und Eigenschaften jeder Schicht zu ermitteln.

Um die Kruste zu untersuchen, verwenden Sie eine Technik namens Empfängerfunktionen. Wenn eine P-Welle auf eine Grenze trifft, beispielsweise auf den Rand der Kruste, wandelt sich ein Teil davon in eine S-Welle um. Dann können Sie sehen, dass diese umgewandelte S-Wellenenergie etwas später als die P-Welle eintrifft, und das kann Ihnen sagen, wie dick die Kruste ist.

Um den geschmolzenen Kern zu untersuchen, sucht man nach der Energie, die von der Grenze zwischen Kern und Mantel abprallt. Ein starkes Beben kann eine S-Welle verursachen, die diese Grenze trifft, reflektiert wird und zum Empfänger zurückprallt. Sie können nach eintreffenden Wellen suchen, die die richtige Polarisation haben, um als dieser bestimmte Wellentyp – eine so genannte ScS-Welle – identifiziert zu werden, und so den Radius des Kerns zu ermitteln.

Um den Mantel zu untersuchen, wollten die Forscher wissen, wie schnell Wellen diese Schicht passieren, was ihnen Aufschluss über die Temperatur des Mantels gibt. Dazu sucht man nach Wellen, die von der Planetenoberfläche abprallen, sogenannten PP-Wellen. Sie können sehen, dass diese Reflexionen später als die ursprünglichen P-Wellen bei Ihrem Empfänger eintreffen, was Ihnen sagt, wie schnell sich die Wellen ausbreiten.

In die Zukunft schauen

Auf diese Weise konnte InSight die bisher genauesten Informationen über das Innere des Mars sammeln, verschiedene Unterschichten innerhalb der Kruste finden und die Größe des Kerns bestimmen . Dies ist ein großer Schritt zum Verständnis des Planeten und wurde innerhalb weniger Jahre nach dem Betrieb von InSight erreicht. Dies ist das Erbe, das InSight der Marswissenschaft hinterlassen wird.

„Jede Mission führt zu einem großen Fortschritt in unserem Verständnis – in diesem Fall ist es ein großer Fortschritt in unserem Verständnis des Inneren des Mars und der Oberflächenumgebung des Landers“, sagte Johnson.

Das durch InSight gewonnene bessere Verständnis des Marsinneren wird künftige Missionen unterstützen, von der geplanten Mars-Sample-Return-Mission bis hin zu langfristigen Plänen für Astronauten, den Roten Planeten schließlich persönlich zu besuchen. Und die Ergebnisse des Landers werden immer noch für Entdeckungen genutzt, etwa für die aktuelle Entdeckung, dass sich der Mars jedes Jahr schneller dreht .

Obwohl die InSight-Mission nun zu Ende ist, sind Johnson und ihr Team optimistisch, was die Mission erreicht hat und was die Zukunft für die Marsforschung bereithält.

„Jede Mission ist eine unglaubliche Reise“, sagte Johnson. „Es ist immer ein trauriger Moment, wenn etwas zu Ende geht. Aber man verbringt auch viel Zeit damit, darüber nachzudenken, wie die Mission den nächsten Schritt der Ermittlungen ermöglicht hat.“