Neue Studie zeigt, dass der flüssige Eisenkern des Mars kleiner und dichter ist als bisher angenommen

Vier Jahre lang zeichnete der InSight-Lander der NASA mit seinem Seismometer Erschütterungen auf dem Mars auf. Forscher der ETH Zürich sammelten und analysierten die zur Erde übermittelten Daten, um die innere Struktur des Planeten zu bestimmen. „Obwohl die Mission im Dezember 2022 endete, haben wir nun etwas sehr Interessantes entdeckt“, sagt Amir Khan, leitender Wissenschaftler im Departement Erdwissenschaften der ETH Zürich.

Eine Analyse aufgezeichneter Marsbeben, kombiniert mit Computersimulationen, zeichnet ein neues Bild vom Inneren des Planeten. Zwischen dem flüssigen Eisenlegierungskern des Mars und seinem festen Silikatmantel liegt eine etwa 150 Kilometer dicke Schicht aus flüssigem Silikat (Magma). „Die Erde hat keine vollständig geschmolzene Silikatschicht wie diese“, sagt Khan.

Diese Erkenntnis jetzt veröffentlicht In Natur Neben einer von Henri Samuel geleiteten Studie vom Institut de Physique de Globe de Paris, die mit komplementären Methoden zu einem ähnlichen Ergebnis kommt, liefert sie auch neue Informationen über die Größe und Zusammensetzung des Marskerns und lüftet damit ein Rätsel, das Forscher bisher nicht erklären konnten .

Eine Analyse der zunächst beobachteten Marsbeben hatte ergeben, dass die durchschnittliche Dichte des Marskerns deutlich geringer sein musste als die von reinem flüssigem Eisen. Der Erdkern beispielsweise besteht zu etwa 90 Gewichtsprozent aus Eisen.

Leichte Elemente wie Schwefel, Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff machen zusammen etwa 10 Gewichtsprozent aus. Erste Schätzungen zur Dichte des Marskerns ergaben, dass er aus einem viel größeren Anteil leichter Elemente besteht – etwa 20 Gewichtsprozent. „Dies stellt eine sehr große Menge an leichten Elementen dar, die an das Unmögliche grenzt. Wir haben uns seitdem über dieses Ergebnis gewundert“, sagt Dongyang Huang, Postdoktorand am Departement Erdwissenschaften der ETH Zürich.

Weniger Lichtelemente

Die neuen Beobachtungen zeigen, dass der Radius des Marskerns von der ursprünglich ermittelten Reichweite von 1.800 bis 1.850 Kilometern auf irgendwo im Bereich von 1.650 bis 1.700 Kilometern abgenommen hat, was etwa 50 Prozent des Marsradius entspricht. Wenn der Marskern kleiner ist als bisher angenommen, aber die gleiche Masse hat, bedeutet dies, dass seine Dichte größer ist und er daher weniger leichte Elemente enthält. Den neuen Berechnungen zufolge sank der Anteil der leichten Elemente auf 9 bis 14 Gewichtsprozent.

„Das bedeutet, dass die durchschnittliche Dichte des Marskerns immer noch etwas niedrig ist, aber im Kontext typischer Planetenentstehungsszenarien nicht mehr unerklärlich ist“, sagt Paolo Sossi, Assistenzprofessor im Departement Erdwissenschaften der ETH Zürich und Mitglied des Nationalrates Forschungsschwerpunkte (NFS) PlanetS.

Die Tatsache, dass der Marskern eine beträchtliche Menge an leichten Elementen enthält, deutet darauf hin, dass er sich sehr früh gebildet haben muss, möglicherweise als die Sonne noch von dem Nebelgas umgeben war, aus dem sich leichte Elemente im Marskern angesammelt haben könnten.

Die ersten Berechnungen basierten auf Erschütterungen, die in unmittelbarer Nähe des InSight-Landers aufgetreten waren. Allerdings registrierte das Seismometer im August und September 2021 zwei Beben auf der gegenüberliegenden Seite des Mars. Einer davon wurde durch einen Meteoriteneinschlag verursacht. „Diese Beben erzeugten seismische Wellen, die den Kern durchquerten“, erklärt Cecilia Duran, Doktorandin im Departement Erdwissenschaften der ETH Zürich.

„Dadurch konnten wir den Kern beleuchten.“ Bei den früheren Marsbeben hingegen wurden die Wellen an der Kern-Mantel-Grenze reflektiert und gaben keine Auskunft über das tiefste Innere des Roten Planeten. Als Ergebnis dieser neuen Beobachtungen konnten die Forscher nun die Dichte und seismische Wellengeschwindigkeit des flüssigen Kerns bis zu einer Tiefe von etwa 1.000 Kilometern bestimmen.

Supercomputer-Simulationen

Um aus solchen Profilen Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Materials zu ziehen, vergleichen Forscher die Daten üblicherweise mit denen synthetischer Eisenlegierungen, die unterschiedliche Anteile an leichten Elementen (S, C, O und H) enthalten. Im Labor werden diese Legierungen hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt, die denen im Inneren des Mars entsprechen, sodass Forscher die Dichte und die Geschwindigkeit seismischer Wellen direkt messen können.

Derzeit werden die meisten Experimente jedoch unter Bedingungen im Erdinneren durchgeführt und sind daher nicht unmittelbar auf den Mars übertragbar. Deshalb griffen die ETH-Forscher auf eine andere Methode zurück. Sie berechneten die Eigenschaften verschiedenster Legierungen mithilfe quantenmechanischer Berechnungen, die sie am Swiss National Supercomputing Centre (CSCS) in Lugano, Schweiz, durchführten.

Als die Forscher die berechneten Profile mit ihren Messungen auf Basis der seismischen InSight-Daten verglichen, stießen sie auf ein Problem. Es stellte sich heraus, dass keine Legierungen aus Eisen und leichten Elementen gleichzeitig mit den Daten sowohl an der Spitze als auch in der Mitte des Marskerns übereinstimmten. An der Kern-Mantel-Grenze hätte die Eisenlegierung beispielsweise deutlich mehr Kohlenstoff enthalten müssen als im Inneren des Kerns.

„Es hat eine Weile gedauert, bis uns klar wurde, dass die Region, die wir bisher für den äußeren flüssigen Eisenkern gehalten hatten, doch nicht der Kern, sondern der tiefste Teil des Mantels war“, erklärt Huang. Zur Untermauerung dieser Aussage fanden die Forscher auch heraus, dass die in den äußersten 150 Kilometern des Kerns gemessene und berechnete Dichte und seismische Wellengeschwindigkeit mit denen von flüssigen Silikaten übereinstimmte – dem gleichen Material in fester Form, aus dem der Marsmantel besteht .

Weitere Analysen früherer Marsbeben und zusätzliche Computersimulationen bestätigten dieses Ergebnis. Es ist nur bedauerlich, dass staubige Solarpaneele und der daraus resultierende Strommangel es dem InSight-Lander unmöglich machten, zusätzliche Daten zu liefern, die mehr Aufschluss über die Zusammensetzung und Struktur des Marsinneren hätten geben können. „Dennoch war InSight eine sehr erfolgreiche Mission, die uns viele neue Daten und Erkenntnisse lieferte, die in den kommenden Jahren analysiert werden“, sagt Khan.