8 دقیقه
مریخ در حال کوتاهتر کردن روز خود به میزان کسری از میلیثانیه است. این امر در نگاه اول ناچیز به نظر میرسد، اما برای دانشمندان سیارهای این تغییر کوچک نوعی سرنخ است؛ اثر انگشتی از تحرکات عمیق زیر پوستهٔ زنگزدهٔ سیاره.
دادههای مأموریت اینسایت ناسا، زمانی که با اندازهگیریهایی که در دههٔ ۱۹۷۰ میلادی توسط مأموریتهای وایکینگ بهدست آمد مقایسه شدند، شتاب ظریفی در چرخش مریخ را نشان دادند. در طول سالها، طول روز در سیارهٔ سرخ بهصورت تدریجی و نه چشمگیر، اندکی کوتاهتر شده است. سؤال بعدی ساده اما بنیادی بود: چه چیزی در زیر سطح مریخ جابهجا میشود که چنین تأثیری بر سرعت چرخش آن دارد؟
پلومهای گوشته، ناهنجاریهای جرم و سیارهای در حال چرخش
پژوهشگران دانشگاه فناوری دلفت به پاسخی احتمالی رسیدهاند. مدلهای آنها نشان میدهد که یک ستون یا «پلوم» بزرگی از مادهٔ گوشته که شناوری نسبتاً بیشتری دارد، زیر ناحیهٔ ثارس (Tharsis) وجود دارد؛ همان پهنهٔ عظیم آتشفشانی نزدیک استوا که میزبان المپیوس مانس و قلههای آتشفشانی همسایه است. این پلوم چگالی کمتری نسبت به سنگ اطراف خود دارد — چیزی که تیم آن را «ناهنجاری منفی جرم» مینامد.
معنای این عبارت در زبان ساده چیست؟ تصویری از اسکیتباز دوار را تصور کنید؛ وقتی اسکیتباز یک پا را جمع میکند بدن سریعتر میچرخد. در یک سیاره، جابجایی ماده بهسمت خارج یا داخل نسبت به محور چرخش، توزیع جرم را تغییر میدهد و در نتیجه نرخ چرخش تغییر میکند. اگر مادهٔ سبکتری از گوشته در نزدیکی استوا بالا بیاید، بخشهای سنگینتر باید بهسمت محور نزدیکتر فرو رود — و کل سیاره میتواند اندکی سریعتر دوران کند.
بارت روت، نویسندهٔ ارشد این مطالعه و استادیار اکتشاف سیارهای در دلفت، میگوید: «سطح مریخ چنان کهن است و فرآیندهای پیچیدهٔ فراوانی را نشان میدهد که بسیاری از آنها هنوز بهخوبی درک نشدهاند.» او معتقد است پیوند زدن دینامیک داخلی با زمینشناسی سطحی، تصویر روشنتری از تکامل مریخ ارائه میدهد: تاریخ این سیاره عملاً در خاک سرخ نوشته شده است.
تیم پژوهشی از مشاهدات لرزهای و حساس به گرانشِ اینسایت برای محدودسازی شبیهسازیهای خود استفاده کرد. نتایج نشان میدهند که یک پلوم گوشتهای زیر ثارس میتواند بهطور دورهای حفرات ذوب (melt pockets) را به لیتوسفر — پوستهٔ سختی که ضخامت آن حدود ۳۱۰ مایل (تقریباً ۵۰۰ کیلومتر) برآورد شده است — عرضه کند و در بازههای زمانی طولانی موجب فعالیتهای آتشفشانی گردد. این ذوبهای متناوب و جایگزینی ماده با آنچه در رکورد زمینشناسی دیده میشود و با اندازهگیریهای افزایش سرعت چرخش همخوانی دارد.
برای درک بهتر، باید مفاهیم فیزیکی اصلی را بررسی کنیم: تغییر در ممان اینرسی (moment of inertia) یک جسم چرخان مستقیماً با سرعت زاویهای آن مرتبط است. اگر جرم از نزدیکی محور چرخش دور شود، ممان اینرسی افزایش یافته و برای حفظ تکانهٔ زاویهای، سرعت زاویهای کاهش مییابد؛ و بالعکس. در مورد مریخ، بالا آمدن مادهٔ سبک در مناطق استوایی و فرو رفتن مادهٔ سنگینتر نزدیکتر به محور میتواند ممان اینرسی را کاهش داده و در نتیجه چرخش را مقداری سریعتر کند. چنین سازوکاری در زمین نیز مشاهده شده اما مقیاس، ترکیب و تاریخچه در مریخ متفاوت است و نیاز به تحلیل و شواهد خاص خود دارد.
مدلهای دلفت تلاش کردند تا همزمان دادههای لرزهای اینسایت، ناهمسانیهای گرانشی و شواهد زمینی-آتشفشانی را لحاظ کنند. ترکیب این مشاهدات با شبیهسازیهای ترمو-مکانیکی اجازه میدهد تا سناریوهایی که منجر به ناهنجاری جرمی منفی میشوند، بررسی شوند: از جمله بالا آمدن گوشتهٔ گرم و با چگالی کمتر، توزیع گرادیانهای دمایی زیر ثارس و اثرات طولانیمدت در تغییر ضخامت لیتوسفر و تجمع مواد مذاب.
شواهد زمینشناسی سطحی نیز از تناسب این تئوری پشتیبانی میکند. ناحیهٔ ثارس مجموعهای از مخروطهای آتشفشانی غولپیکر، سفرههای بازالت و سازوکارهای برآمدگیای را نشان میدهد که نیاز به منابع گرمایی بزرگ و پایدار در زیر سطح داشتهاند. اگر پلومی در زیر این منطقه موجود باشد، میتواند منبع گرما و مواد مذابی باشد که در بازههای زمانی چند میلیون سالی به سطح رسیدهاند و ساختارهای سطحیِ قابل مشاهده را پدید آوردهاند.
پیامدها برای زمینشناسی مریخی و مطالعات آینده
اگر این تصویر درست باشد، مریخ آنچنان که پیشتر تصور میشد کاملاً ژئولوژیکاً مرده نیست. مخازن عمیق گرما و مادهٔ شناور ممکن است هنوز هم متحرک باشند، باعث آتشفشان سطحی در دورههای کوتاهمدت و درازمدت شوند و بهطور ظریف سرعت چرخش سیاره را تغییر دهند. برخاستِ ثارس، در این دیدگاه، بیش از مجموعهای از آتشفشانهای کهن است: میتواند تظاهر سطحیِ یک فرآیند داخلی پایدار و بزرگمقیاس باشد.
با این حال، عدم قطعیتهایی وجود دارد. محاسبات ابتدایی تیم دلفت ترتیب بزرگی مشاهدهشده در تغییر چرخش را بازتولید میکنند، اما نویسندگان اذعان دارند که مدلهای سهبعدی پیچیدهتر، شامل پارامترهای واقعیتر مواد و اثرات طول-زمانی تزریق مذاب، لازم است تا دینامیک دقیقتر تعیین شود. اندازهگیریهای مستقیمتر میدان گرانشی مریخ با دقت بالاتر میتواند نقش تعیینکنندهای داشته باشد.
در واقع، تعیین الگوهای جرم زیرسطحی با تفکیکپذیری بالا، تنها از طریق مأموریتهای گرانشی پیشرفته یا شبکههای لرزهای گستردهتر ممکن خواهد بود. ابزارهایی مانند گراوییمتری دقیق، سنجشکنندههای حرکت نسبی و ردیابی رادیویی دقیق در مدار یا از سطح میتوانند توزیع جرم را به صورت سهبعدی بازسازی کنند. چنین دادههایی توانایی تأیید یا رد وجود یک ناهنجاری منفی جرم زیر ثارس را خواهد داشت.
پیشنهاد بعدی پژوهشگران روشن است: ارسال یک مأموریت اختصاصی گرانش به مریخ. این مأموریت میتواند شامل یک جفت ماهوارهٔ جفتشونده برای اندازهگیری تغییرات میدان گرانشی با روشهایی شبیه به مأموریتهای گرانشی ماهوارهای زمین باشد، یا شامل فرستادن ابزارهای اندازهگیری گرانش سطحی و شبکهٔ لرزهای که حساسیت لازم برای تشخیص پلوم زیر سطح را داشته باشند. تا زمان فراهم شدن چنین دادههایی، این فرضیه جذاب اما موقتی باقی میماند.
از منظر علم سیارهای، سیگنالهای کوچک اغلب درِ داستانهای بزرگ را باز میکنند. کسری از میلیثانیه در طول روز ممکن است روزی به ما بگوید که داخل مریخ چگونه عمل میکند، آتشفشانهای آن چگونه تولد و مرگ یافتهاند، و چگونه سیارههای سنگی از درون دگرگون میشوند. همین گونهٔ کوچک از حرکت میتواند نشاندهندهٔ فرایندهای کنونی یا باقیماندهٔ گرمایی باشد که تصویر ما از تکامل سیارهای را بازنویسی میکند.
برای تبدیل این ایدهها به دانش محکم، لازم است چندین مسیر تحقیقی همزمان پیگیری شوند:
- گسترش مدلهای سهبعدیِ انتقال حرارت و دینامیک گوشته که شامل اثرات غیرخطی، تغییرات چگالی دما-وابسته و تعامل میان لیتوسفر و گوشته باشند.
- تحلیل بیشتر دادههای لرزهای اینسایت با تمرکز بر امواج سطحی و واپاشی آنها برای استخراج ویژگیهای لایهای با رزولوشن بالاتر.
- طراحی مأموریتهای گرانشی و ردیابی رادیویی که قادر به اندازهگیری کوچکترین ناهنجاریهای جرم در مقیاس زیرسطحی باشند.
- مطالعهٔ ترکیبی رکورد زمینشناسی سطحی با دادههای مدل برای محدودسازی زمانبندی فعالیتهای ذوب و آتشفشانی در ثارس.
هر یک از این مسیرها به دادهها و سرمایهگذاری فناورانه نیاز دارد. بهعنوان مثال، شبکههای لرزهای گستردهتر روی سطح مریخ مستلزم رهاسازی چندین لرزهنگار در نقاط مختلف خواهد بود تا نهتنها منابع سطحی بلکه ساختار عمیقتر گوشته را نیز مشخص کنند. از سوی دیگر، مأموریتهای گرانشی پیشرفته میتوانند مستلزم استفاده از تکنولوژیهای نوین مانند گراویومترهای اتمی یا سیستمهای کِشسان همکار ماهوارهای برای اندازهگیری تغییرات بسیار کوچک در میدان گرانش باشند.
علاوه بر این، تحلیل ترکیبی تصاویر دورسنجی، میدان گرمایی سطح و ترکیبات شیمیایی سنگها از مدار و سطح میتواند زمانبندی فعالیتهای آتشفشانی را محدود کند و نشان دهد آیا الگوهای سطحی با سناریوی پلومی که بهطور دورهای مواد مذاب تأمین میکند، همخوانی دارند یا خیر. چنین رویکرد چندرشتهای سطحی-درونی زمینهٔ بهتری برای تفسیر تغییرات چرخشی فراهم میآورد.
در نهایت، فهم این پدیدهها برای مقایسهٔ تکامل سیارهای نیز حیاتی است. اگر مریخ هنوز هم از نظر گرمایی فعال باشد، درک زمان و چگونگی فروکش کردن این فعالیت میتواند الگوهایی برای تکامل زمینمانندِ دیگر سیارات سنگی ارائه دهد؛ از جمله نحوهٔ از بین رفتن آتشفشانهای عظیم، تغییر میدان مغناطیسی در گذشته و نقش انتقال گرما در متابولیسم سیارهای.
بنابراین، چند کسری میلیثانیه در طول روز مریخ ممکن است بهزودی تبدیل به فصل جدیدی از دانش دربارهٔ درون سیارات شود، دانشی که در آن اندازهگیری دقیق زمان چرخش، میدان گرانش و دادههای لرزهای همگی به هم پیوسته و تصویر جامعی از دینامیک داخلی یک سیارهٔ همسایه ارائه میدهند.
نظرات
دورچرخ
من آماتور زمینشناسیام و قبلا دیدم تغییرات ریز میتونه اثرات بزرگ بزاره. ایدهٔ پلوم زیر ثارس جذابه، اما نیاز به شواهد بیشتر و ردیابی زمانی داره
مکس_
خیلی رویاییه، ولی یه ذره حس میکنم بزرگنمایی شده؛ مدلها باید واقعیتر باشن. صبر کنیم تا دادههای دقیقتر بیاد، بعد قضاوت کنیم
هومن
پیشنهاد مأموریت گرانشی منطقیه. ولی هزینه ها و پیچیدگیها ش هستن، هنوزم فکر میکنم ترکیب دادههای لرزهای و گرانشی بهترین راه باشه
دیتاپال
این اندازهگیریها واقعا قابل اطمینانن؟ اینسایت دادههاش قدیمی و محدود بوده، ممکنه خطاهای سیستماتیک باشه، یا برداشت بیش از حد از سیگنال خیلی ریز...
آستروست
وای، اینکه روز مریخ با کسری میلیثانیه کوتاهتر شده انگار یه راز کوچیک ولی خیلی بزرگه! فکر کنم هنوز کلی چیز پشت پرده هست… هیجانانگیز و مرموز
ارسال نظر