NASA-InSight-Studie zeigt, dass sich der Mars schneller dreht

Wissenschaftler haben die präzisesten Messungen der Marsrotation aller Zeiten durchgeführt und erstmals festgestellt, wie der Planet aufgrund des „Schwappens“ seines geschmolzenen Metallkerns wackelt. Die Ergebnisse, detailliert in einem aktuellen Natur stützen sich auf Daten des InSight-Marslanders der NASA, der vier Jahre lang in Betrieb war, bevor ihm während seiner erweiterten Mission im Dezember 2022 der Strom ausging.

Um die Rotationsgeschwindigkeit des Planeten zu verfolgen, verließen sich die Autoren der Studie auf eines der Instrumente von InSight: einen Funktransponder und Antennen, die gemeinsam als Rotation and Interior Structure Experiment (RISE) bezeichnet werden. Sie fanden heraus, dass sich die Rotation des Planeten um etwa 4 Millibogensekunden pro Jahr beschleunigt – was einer Verkürzung der Länge des Marstages um den Bruchteil einer Millisekunde pro Jahr entspricht.

Es handelt sich um eine subtile Beschleunigung, und Wissenschaftler sind sich der Ursache nicht ganz sicher. Aber sie haben ein paar Ideen, darunter die Ansammlung von Eis auf den Polkappen oder den postglazialen Rebound, bei dem Landmassen ansteigen, nachdem sie vom Eis begraben wurden. Die Verschiebung der Masse eines Planeten kann dazu führen, dass er ein wenig beschleunigt, wie ein Schlittschuhläufer, der sich mit ausgestreckten Armen dreht und dann die Arme einzieht.

„Es ist wirklich cool, diese neueste Messung durchführen zu können – und zwar so präzise“, sagte der leitende Forscher von InSight, Bruce Banerdt vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Ich bin schon lange an den Bemühungen beteiligt, eine geophysikalische Station wie InSight auf den Mars zu bringen, und Ergebnisse wie diese machen die jahrzehntelange Arbeit lohnenswert.“

Wie RISE funktioniert

RISE ist Teil einer langen Tradition von Marslandern, die Radiowellen für die Wissenschaft nutzen, darunter die beiden Viking-Lander in den 1970er Jahren und der Pathfinder-Lander in den späten 90er Jahren. Aber keine dieser Missionen hatte den Vorteil der fortschrittlichen Funktechnologie von InSight und der Upgrades der Antennen im Deep Space Network der NASA auf der Erde. Zusammengenommen lieferten diese Verbesserungen Daten, die etwa fünfmal genauer waren als die Daten, die für die Viking-Landegeräte verfügbar waren.

Im Fall von InSight würden Wissenschaftler über das Deep Space Network ein Funksignal an den Lander senden. RISE würde dann das Signal zurückspiegeln. Als Wissenschaftler das reflektierte Signal empfingen, suchten sie nach winzigen Frequenzänderungen, die durch die Doppler-Verschiebung verursacht wurden (derselbe Effekt, der dazu führt, dass die Sirene eines Krankenwagens ihre Tonhöhe ändert, wenn sie näher und weiter entfernt wird). Durch die Messung der Verschiebung konnten Forscher bestimmen, wie schnell sich der Planet dreht.

„Was wir suchen, sind Variationen, die im Laufe eines Marsjahres nur wenige zehn Zentimeter betragen“, sagte der Hauptautor der Studie und RISE-Hauptforscher, Sebastien Le Maistre vom Königlichen Observatorium von Belgien. „Es dauert sehr lange und es müssen viele Daten gesammelt werden, bevor wir diese Variationen überhaupt erkennen können.“

Das Papier untersuchte Daten aus den ersten 900 Marstagen von InSight – genug Zeit, um nach solchen Variationen zu suchen. Die Eliminierung von Lärmquellen hatte für Wissenschaftler eine Menge Arbeit: Wasser verlangsamt Funksignale, sodass Feuchtigkeit in der Erdatmosphäre das vom Mars zurückkommende Signal verzerren kann. Das gilt auch für den Sonnenwind, die Elektronen und Protonen, die von der Sonne in den Weltraum geschleudert werden.

„Es ist ein historisches Experiment“, sagte Le Maistre. „Wir haben viel Zeit und Energie darauf verwendet, uns auf das Experiment vorzubereiten und diese Entdeckungen vorwegzunehmen. Aber trotzdem waren wir unterwegs immer noch überrascht – und es ist noch nicht vorbei, denn RISE hat noch viel über den Mars zu enthüllen.“

Messungen des Marskerns

Die RISE-Daten wurden von den Studienautoren auch verwendet, um das Wackeln des Mars – seine Nutation genannt – aufgrund des Schwappens in seinem flüssigen Kern zu messen. Mithilfe der Messung können Wissenschaftler die Größe des Kerns bestimmen: Basierend auf RISE-Daten hat der Kern einen Radius von etwa 1.140 Meilen (1.835 Kilometer).

Anschließend verglichen die Autoren diese Zahl mit zwei früheren Messungen des Kerns, die mit dem Seismometer der Raumsonde ermittelt wurden. Insbesondere untersuchten sie, wie sich seismische Wellen durch das Innere des Planeten ausbreiten – ob sie vom Kern reflektiert werden oder ihn ungehindert passieren.

Unter Berücksichtigung aller drei Messungen schätzen sie den Radius des Kerns auf 1.112 bis 1.150 Meilen (1.790 bis 1.850 Kilometer). Der Mars als Ganzes hat einen Radius von 2.106 Meilen (3.390 Kilometer) – etwa halb so groß wie der der Erde.

Die Messung des Wackelns des Mars lieferte auch Details über die Form des Kerns.

„Die Daten von RISE deuten darauf hin, dass die Form des Kerns nicht allein durch seine Rotation erklärt werden kann“, sagte der zweite Autor der Studie, Attilio Rivoldini vom Königlichen Observatorium Belgiens. „Diese Form erfordert Regionen mit etwas höherer oder niedrigerer Dichte, die tief im Erdmantel vergraben sind.“

Während Wissenschaftler noch Jahre lang InSight-Daten auswerten werden, markiert diese Studie das letzte Kapitel für Banerdts Rolle als Hauptforscher der Mission. Nach 46 Jahren bei JPL ging er am 1. August in den Ruhestand.