Миссия NASA InSight предоставляет данные с поверхности Марса. Его сейсмометр, оснащенный электроникой, созданной в ETH Zurich, не только регистрирует маршиты, но и неожиданно реагирует на солнечные затмения. Когда марсианский спутник Фобос движется прямо перед Солнцем, инструмент слегка наклоняется в сторону. Этот крохотный эффект может помочь исследователям определить внутреннюю часть планеты.
Наблюдатель, стоящий на Марсе, мог бы видеть, как спутник планеты Фобос пересекает небо с запада на восток каждые пять часов. Его орбита проходит между Солнцем и любой точкой Марса примерно раз в год. Каждый раз он вызывает от одного до семи солнечных затмений в течение трех дней. Одно из мест, где это происходит, - это посадочный модуль NASA InSight, расположенный в регионе Элизиум-Планития с ноября 2018 года. Другими словами, это явление происходит гораздо чаще, чем на Земле, когда наша Луна проходит перед Солнцем.
«Однако затмения на Марсе короче - они длятся всего 30 секунд и никогда не являются полными затмениями», - объясняет Саймон Штелер, сейсмолог из Института геофизики ETH Zurich. На фотографиях, сделанных двумя марсоходами NASA - Opportunity и Curiosity - также виден кусок с острыми краями на фоне солнца.
Фотографии - не единственный способ наблюдать подобные транзиты.
«Когда на Земле происходит солнечное затмение, инструменты могут обнаруживать снижение температуры и быстрые порывы ветра, поскольку атмосфера охлаждается в одном конкретном месте и воздух устремляется прочь от этого места», - объясняет Штелер. Анализ данных InSight должен указать, можно ли обнаружить подобные эффекты и на Марсе.
В апреле 2019 года с места посадки InSight была видна первая серия солнечных затмений, но были сохранены только некоторые из записанных данных. Первые признаки данных побудили Штелера и международную исследовательскую группу с энтузиазмом подготовиться к следующей серии затмений, которая должна произойти 24 апреля 2020 года. Они опубликовали результаты своих наблюдений в августе.
Как и ожидалось, солнечные элементы InSight зарегистрировали прохождение.
«Когда Фобос находится перед Солнцем, меньше солнечного света достигают элементов, а они, в свою очередь, производят меньше электричества», - объясняет Штелер. «Снижение освещенности, вызванное тенью Фобоса, можно измерить».
Действительно, количество солнечного света во время затмения упало на 30%. Однако погодные приборы InSight не показали изменений в атмосфере, и ветер изменился не так, как ожидалось. Прочие инструменты, однако, преподнесли сюрприз: и сейсмометр, и магнитометр зарегистрировали эффект.
Необычный сигнал сейсмометра
Сигнал от магнитометра, скорее всего, связан с падением электричества солнечных элементов, как смогла продемонстрировать Анна Миттельхольц, недавно присоединившаяся к команде ETH Zurich Mars.
«Но мы не ожидали такого показания сейсмометра. Это необычный сигнал», - говорит Штелер. Обычно прибор, оснащенный электроникой, созданной в ETH, показывает землетрясения на планете. К настоящему времени служба по борьбе с землетрясениями, возглавляемая Джоном Клинтоном и Доменико Джардини из ETH, зарегистрировала около 40 обычных землетрясений, самое сильное из которых зарегистрировало магнитуду 3,8, а также несколько сотен региональных неглубоких землетрясений.
Что было удивительно во время солнечного затмения, так это то, что сейсмометр слегка наклонился в определенном направлении.
«Этот наклон невероятно мал», - отмечает Штелер. «Представьте себе 5-франковую монету; теперь протолкните два атома серебра под один край. Мы говорим о наклоне 10–8 ».
Каким бы незначительным ни был этот эффект, его все же нельзя было спутать ни с чем.
«Наиболее очевидным объяснением может быть гравитация Фобоса, аналогичная тому, как Луна вызывает приливы, - говорит Штелер, - но мы быстро это исключили».
Если бы это было объяснение, то сигнал сейсмометра присутствовал бы в течение более длительного периода времени и каждые пять часов, когда Фобос проходит мимо, а не только во время затмений. Исследователи определили наиболее вероятную причину наклона: «Во время затмения земля охлаждается. Он неравномерно деформируется, что приводит к наклону инструмента», - говорит Мартин ван Дриель из исследовательской группы по сейсмологии и волновой физике.
Так получилось, что инфракрасный датчик действительно измерил охлаждение земли на Марсе на два градуса. Расчеты показали, что за 30 секунд затмения «холодный фронт» мог проникнуть в землю только на глубину микро- или миллиметров, но этого эффекта было достаточно, чтобы потянуть за сейсмометр.
Эксперименты на старинном серебряном руднике
Наблюдения на Земле подтверждают теорию Штелера. В обсерватории Шварцвальда, расположенной в заброшенном серебряном руднике в Германии, Рудольф Видмер-Шнидриг обнаружил похожее явление: во время испытаний сейсмометра кто-то не выключил свет. Тепла, испускаемого 60-ваттной лампочкой, по-видимому, было достаточно, чтобы нагреть самый верхний слой гранита глубоко под землей, так что он немного расширился и заставил сейсмометр слегка наклониться в одну сторону.
У ученых должна быть возможность использовать крошечный сигнал наклона с Марса для нанесения на карту орбиты Фобоса с большей точностью, чем это было возможно раньше. Положение InSight - наиболее точно измеренное место на Марсе.
Если ученые точно знают, когда начинается и заканчивается прохождение Фобоса, они смогут точно рассчитать его орбиту. Это важно для будущих космических полетов. Например, японское космическое агентство JAXA планирует отправить зонд к спутникам Марса в 2024 году и доставить образцы с Фобоса на Землю.
«Для этого им нужно точно знать, куда они летят», - говорит Штелер.
Что показывают точные данные об орбите
Точные данные об орбите Фобоса могут также пролить больше света на внутреннюю работу Марса. Пока наша Луна продолжает набирать угловой момент и неуклонно удаляется от Земли, Фобос замедляется и постепенно падает обратно к Марсу. Через 30-50 миллионов лет он рухнет на поверхность планеты.
«Мы можем использовать это небольшое замедление, чтобы оценить, насколько эластичен и, следовательно, насколько горячо внутреннее пространство Марса. Холодный материал всегда более эластичен, чем горячий», - объясняет Амир Хан, также из Института геофизики ETH Zurich. В конечном счете, исследователи хотят знать, был ли Марс сформирован из того же материала, что и Земля, или же различные компоненты могут объяснить, почему у Земли есть тектоника плит, плотная атмосфера и условия, поддерживающие жизнь, а у Марса нет.