Марс – один из наших ближайших земных соседей, но он все еще очень далеко – примерно от 55 до 400 миллионов километров в зависимости от того, где Земля и Марс находятся относительно Солнца. На момент написания статьи Марс находится на расстоянии около 200 миллионов километров, и в любом случае добраться до него чрезвычайно сложно, дорого и опасно.
По этим причинам иногда более разумно исследовать красную планету с помощью моделирования здесь, на Земле, чем отправлять дорогостоящий космический зонд или, возможно, однажды, людей.
Кейсуке Нисида, доцент кафедры Земли и планетологии Токийского университета на момент исследования, и его команда стремятся исследовать внутреннее устройство Марса.
Они изучают сейсмические данные и состав, которые говорят исследователям не только о нынешнем состоянии планеты, но и о ее прошлом, в том числе о ее происхождении.
«Исследование глубоких недр Земли, Марса и других планет – один из великих рубежей науки», – сказал Нисида. "Это увлекательно отчасти из-за огромных масштабов, связанных с этим, но также и из-за того, как мы безопасно исследуем их с поверхности Земли."
Долгое время предполагалось, что ядро Марса, вероятно, состоит из сплава железа и серы. Но учитывая, насколько недосягаемо ядро Земли для нас, прямые наблюдения за ядром Марса, вероятно, придется подождать.
Вот почему так важны сейсмические детали, поскольку сейсмические волны, подобные чрезвычайно мощным звуковым волнам, могут проходить через планету и открывать возможность заглянуть внутрь, хотя и с некоторыми оговорками.
«Зонд НАСА Insight уже находится на Марсе для сбора сейсмических данных», – сказал Нисида. "Однако даже в сейсмических данных отсутствовала важная часть информации, без которой данные не могли быть интерпретированы. Нам нужно было знать сейсмические свойства сплава железа и серы, который, как считается, составляет ядро Марса."
Нисида и его команда теперь измерили скорость так называемых P-волн (один из двух типов сейсмических волн, другой – S-волны) в расплавленных сплавах железа и серы.
«Из-за технических проблем потребовалось более трех лет, прежде чем мы смогли собрать необходимые нам ультразвуковые данные, поэтому я очень рад, что теперь они у нас есть», – сказал Нисида. "Выборка чрезвычайно мала, что может удивить некоторых людей, учитывая огромные масштабы планеты, которую мы эффективно моделируем. Но эксперименты с высоким давлением на микромасштабах помогают исследовать структуры на макроуровне и истории эволюции планет в долгосрочном масштабе."
Расплавленный сплав железа и серы чуть выше его точки плавления 1500 градусов Цельсия и подвергающийся давлению 13 гигапаскалей, имеет скорость P-волны 4680 метров в секунду; это более чем в 13 раз быстрее, чем скорость звука в воздухе, которая составляет 343 метра в секунду.
Исследователи использовали устройство, называемое многопорывчатым прессом типа Кавай, чтобы сжать образец до такого давления. Они использовали рентгеновские лучи от двух синхротронных установок, KEK-PF и SPring-8, чтобы визуализировать образцы, чтобы затем вычислить значения P-волн.
«Используя наши результаты, исследователи, читающие марсианские сейсмические данные, теперь смогут определить, состоит ли ядро в основном из сплава железа и серы», – сказал Нисида. "Если это не так, это расскажет нам кое-что о происхождении Марса. Например, если ядро Марса включает кремний и кислород, это говорит о том, что, как и Земля, Марс пострадал от огромного столкновения, когда образовался.
Итак, из чего сделан Марс и как он образовался? Я думаю мы скоро узнаем."