10 دقیقه
پیشرفت لرزهای: شواهدی برای وجود هستهٔ داخلی جامد در مریخ
پژوهشگرانی که دادههای لرزهای فرستندهٔ ناسا InSight را تحلیل کردهاند اکنون از شواهدی گزارش میدهند که نشان میدهد مریخ دارای یک هستهٔ داخلی جامد است که توسط یک هستهٔ بیرونی مایع احاطه شده — ساختاری درونی که بیش از آنچه قبلاً تأیید شده بود، به ساختار زمین شباهت دارد. این مطالعه که در نشریهٔ Nature توسط Huixing Bi از دانشگاه علوم و فناوری چین (هفئی) و همکاران منتشر شده است، با استفاده از روشهای اصلاحشدهٔ انتخاب سیگنال و پردازش نوآورانهٔ دادهها توانست یک اثر لرزهای ضعیف استخراج کند که با هستهٔ داخلیای به شعاع حدود 610 کیلومتر سازگار است. این یافتهها فهم ما از تکامل حرارتی مریخ، میدان مغناطیسی اولیهٔ آن و فرایندهایی که جو و سطح این سیاره را شکل دادهاند، پیش میبرد.
این یافتهها به دانشمندان کمک میکند تا درک بهتری از تکامل مریخ بهعنوان یک سیاره بهدست آورند.
زمینهٔ علمی: هستهها، دینامو و حفاظت سیارهای
چرا هسته اهمیت دارد
هستهٔ یک سیاره انتقال گرما، همرفت داخلی و — از طریق مکانیزم دینامو — وجود میدان مغناطیسی سراسری را کنترل میکند. در زمین، آهن جامد در هستهٔ مرکزی توسط یک هستهٔ بیرونی مایع که همرفت در آن رخ میدهد احاطه شده است. آن همرفت که با آزاد شدن گرما و تغییرات ترکیبی هنگام رشد هستهٔ داخلی رانده میشود، میدان مغناطیسیای تولید میکند که ذرات باردار خورشیدی را منحرف کرده و به جلوگیری از از دست رفتن سریع جو کمک میکند.
ردپاهای موجود در سنگهای مغناطیسیشده روی مریخ نشان میدهد که این سیاره زمانی میدان مغناطیسی جهانی داشته است. مگنتیزاسیون قدیمی پوسته و شواهد گسترده از شبکههای درهای و بسترهای خشک دریاچهها دلالت دارند که میلیاردها سال پیش مریخ جوی متراکمتر و آب مایع روی سطح خود داشته است. فرضیهٔ رایج این است که سپر مغناطیسیای که اکنون از بین رفته، زمینهٔ فرار تدریجی جو به فضا را فراهم کرده و در نهایت مریخ را به بیابانی سرد با جو نازک تبدیل کرده است.
کمکهای InSight و توالی اکتشافات
فرودگر InSight ناسا که در نوامبر 2018 روی مریخ فرود آمد، دارای لرزهسنجی بسیار حساس بود که برای ثبت زمینلرزههای مریخی و دیگر حرکتهای زمینی طراحی شده بود. نتایج اولیهٔ InSight برای نخستین بار نشان داد که امواج لرزهای از درون عمیق مریخ عبور میکنند و نخستین آشکارسازی و محدودیتهای اندازهٔ هستهٔ مایع را فراهم آوردند. در سال 2021، Simon Stähler و همکاران رفتار امواج لرزهای را تحلیل کرده و مدلی از هستهٔ مایع ارائه دادند که از انتظارات قبلی بزرگتر و کمچگالتر بهنظر میرسید — هستهای با شعاع حدود 1800 کیلومتر که با درصد بالایی از عناصر سبک (مانند گوگرد، کربن و هیدروژن) سازگار است که چگالی و دمای ذوب هسته را کاهش میدهند.
.avif)
ماموریت InSight در سال 2018 روی مریخ فرود آمد.
مدل Stähler در 2021 احتمال وجود هستهٔ داخلی جامد را منتفی نمیدانست؛ بلکه دادههای در دسترس در آن زمان شدت سیگنال لازم برای شناسایی مرز بین مایع و جامد در مرکز مریخ را نداشتند. بازتحلیلها و اصلاحات بعدی، از جمله بازنگری 2023 توسط تیم Henri Samuel، برآوردهای اندازه و چگالی هسته را تعدیل کردند و به تلفیق خطوط مختلف شواهد از زمینشناسی، ژئودزی و لرزهنگاری کمک کردند.
روشها و کشف جدید
Huixing Bi و همکاران بر انواع خاصی از رویدادهای لرزهای متمرکز شدند که در فواصل مشخصی از InSight رخ میدهند و تشخیص امواجی که در مرز هستهٔ داخلی بازتاب یا شکست دارند را تسهیل میکنند. با انتخاب مجموعهای از رویدادهای با کیفیت بالاتر و بهکارگیری تکنیکهای پیشرفتهٔ کاهش نویز و انباشتن موجها، نویسندگان نسبت سیگنال به نویز را برای فازهای ضعیفی که با عبور امواج لرزهای از هستهٔ داخلی جامد سازگارند افزایش دادند. تحلیل آنها مدلی بهتر با هستهٔ داخلی جامدی به شعاع حدود 610 کیلومتر درون هستهٔ بیرونی مایع ارائه میدهد.
از ترکیب محدودیتهای اندازه و چگالی، پیامدهای ترکیبی کلیدی پدید میآیند. برآوردهای قبلی از یک هستهٔ مایع با چگالی بسیار پایین نشاندهندهٔ سهم قابل توجهی از عناصر سبک بود. وجود هستهٔ داخلی جامد نشان میدهد که در حین خنک شدن مریخ، فرایند کریستالیزاسیون در حال رخ دادن است و توازن بین دما، فشار و ترکیب تعیین میکند که جامد شدن چهزمان و چگونه آغاز میشود. بنابراین نتیجهٔ جدید تاریخ حرارتی هسته و بازهٔ محتمل غلظت عناصر سبک را محدود میکند.
مدلهای رقیب و پیشرفت علمی
تنش ظاهری بین تفسیر هستهٔ کاملاً مایع و تشخیص یک هستهٔ داخلی جامد کوچک، تصویر پیشرفت عادی علمی را نشان میدهد: مطالعات پیاپی مدلها را هنگامی که دادهها و روشهای بهتر در دسترس قرار میگیرند، پالایش میکنند. آشکارسازی اولیهٔ Stähler نشان داد که بهطور کلی هستهٔ مریخ عمدتاً مایع است؛ کار Bi اکنون نشان میدهد که در مرکز بسیار مرکزی یک فاز جامد وجود دارد. این نتایج متقابل نیستند بلکه بازتاب حساسیت افزایندهٔ تحلیلهای لرزهای و اهمیت انتخاب رویداد، هندسهٔ فاصله و نحوهٔ برخورد با نویز در استخراج سیگنالهای ظریف هستند.
پژوهشگران به بازتحلیل مجموعهٔ دادههای InSight و یکپارچهسازی قیدهای زمینشناسی، ژئودزی و الکترومغناطیسی ادامه خواهند داد تا بررسی کنند آیا هستهٔ داخلی 610 کیلومتری با همهٔ مشاهدات در دسترس از جمله اندازهٔ هسته، چگالی میانگین و ناهنجاریهای مغناطیسی پوسته سازگار است یا نه. حمایت مستقل میتواند از ماموریتهای آیندهای بیاید که لرزهسنجها، میدانسنجها یا ابزارهای ژئوفیزیکی را در مکانهای دیگر مریخ مستقر کنند.
پیامدها برای میدان مغناطیسی، جو و قابلیت زیست مریخ
وجود هستهٔ داخلی جامد در مریخ احتمال اینکه این سیاره زمانی دینامویی مشابه زمین تولید کرده باشد را تقویت میکند. در زمین، کریستالیزاسیون هستهٔ داخلی گرمای نهفته و عناصر سبک را آزاد میکند که هردو میتوانند حرکتهای همرفتی را در هستهٔ بیرونی مایع حفظ کرده و دینامو را در طول زمان زمینشناسی تغذیه کنند. اگر مریخ توالی مشابهی از رشد هستهٔ داخلی و همرفت هستهٔ بیرونی را تجربه کرده باشد، میدان مغناطیسی سیارهای ممکن است برای مدت کافی وجود داشته باشد تا از جوی ضخیمتر و آب سطحی در اوایل تاریخ مریخ محافظت کند.
با این حال، وجود هستهٔ داخلی امروزی لزوماً به این معنا نیست که دیناموی باستانی به اندازهٔ زمین پایدار بوده است. مریخ از زمین کوچکتر است، سریعتر خنک شده و موجودی عناصر تولیدکنندهٔ گرما و ترکیب هستهاش احتمالاً متفاوت است. زمانبندی، شدت و مدت هر دیناموی مریخی به این متغیرها بستگی دارد. مشخص کردن زمان خاموشی دینامو برای پیوند تکامل درونی با زمانبندی فرار جوی که توسط ماموریتهایی مانند MAVEN اندازهگیری شده و مطالعات چرخهٔ آب از Orbiter ردیاب گازهای ردپای ExoMars آژانس فضایی اروپا اهمیت دارد.
فناوریهای مرتبط و چشماندازهای آینده
پیشرفتها در پردازش دادههای لرزهای، حساسیت ابزارها و طراحی مأموریت نقش مرکزی در این اکتشافات دارند. تکنیکهایی که برای استخراج سیگنال ضعیف هستهٔ داخلی از میان نویز InSight استفاده شدند شامل انتخاب دقیق رویدادها، انباشتن موجها و روشهای آماری برای جدا کردن فازهای لرزهای مورد انتظار هستند. فرودگرهای آینده که مجهز به لرزهسنجهای پهنباند و در چندین سایت مستقر شوند، تصویربرداری جهانی از گوشته و هستهٔ مریخ را بهطور قابلتوجهی بهبود خواهند داد. رویکردهای مکمل — اندازهگیریهای بهتر گرانش و چرخش، صدازدن الکترومغناطیسی و آزمایشگاههای تعیین خواص آلیاژ آهن در فشارهای هستهٔ مریخ — مدلهای ترکیبی و حرارتی را دقیقتر خواهند کرد.
علاوه بر این، ماموریتهای پیشنهادی و برنامهریزیشده که نمونهها را بازمیگردانند، مغناطیس پوسته را با جزئیات بیشتری نقشهبرداری میکنند یا شبکههای ژئوفیزیکی پایا را مستقر میکنند، به بسته شدن شکافهای باقیمانده کمک خواهند کرد. این فناوریها و ماموریتها در کنار هم زمانبندی خاموشی مغناطیسی مریخ، مکانیزمهای فرار جو و اقلیم و قابلیت زیست اولیهٔ سیاره را بهتر محدود خواهند کرد.
دیدگاه کارشناسی
دکتر النا مورالس، زمینشناس سیارهای (تخیلی)، اظهار میکند: 'این آشکارسازی جدید هستهٔ داخلی گام بزرگی است. نشان میدهد که چگونه با انتخاب دقیق و پردازش سیگنال مدرن میتوان از دادههای لرزهای بیشترین بهره را برد. اگر هستهٔ داخلی وجود داشته باشد، مکانیزم ملموسی برای توضیح اینکه چگونه مریخ میتوانسته دینامویی در دوران باستان داشته باشد فراهم میشود. چالش اکنون یکپارچهسازی لرزهنگاری با زمینشیمی و مطالعات جوی است تا یک جدول زمانی سازگار برای زمان نابودی حفاظت مغناطیسی و سرعت فرسایش جو ساخته شود.'
ارزیابی او بازتاب دیدگاهی رایج در علوم سیارهای است: دادههای تکمنبع به ندرت پاسخهای قطعی ارائه میکنند، اما میتوانند دامنهٔ مدلهای ممکن را بهطور قاطع محدود کرده و انگیزهای برای رصدهای هدفمند بعدی فراهم کنند.
نتیجهگیری
تحلیلهای لرزهای مأموریت InSight که با روشهای نوین پالایش و بازتحلیل شدهاند اکنون به سمت تصویری از مریخ متمایلاند که هستهای لایهای و مشابه زمین دارد: هستهٔ داخلی جامدی با شعاع تقریباً 610 کیلومتر که توسط هستهٔ بیرونی مایع احاطه شده است. این ساختار احتمال اینکه مریخ زمانی دیناموی هستهای تولید کرده و در نتیجه سپری مغناطیسی ایجاد کرده که به حفظ جوی چگالتر و گرمتر و حضور آب مایع در دوران اولیه کمک کرده باشد را افزایش میدهد. نتیجه نشاندهندهٔ ارزش مشاهدات لرزهای پایدار و باکیفیت و اهمیت بازنگری مداوم دادههای مأموریتی با بهبود روشهای تحلیلی است. اندازهگیریهای ژئوفیزیکی آینده و مطالعات هماهنگ بین لرزهنگاری، مغناطیس، زمینشیمی و علم جوی برای بازسازی کامل تکامل درونی مریخ، میدان مغناطیسی گمشدهٔ آن و فرایندهای سیارهای که قابلیت زیست آن را شکل دادهاند، ضروری خواهند بود.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر