赤い惑星の基本的な謎を解き明かす

InSight ミッションによって記録された火星の地震データの分析と、液体金属合金の地震特性の第一原理シミュレーションにより、火星の液体鉄の中心は厚さ 150 キロメートルの溶融ケイ酸塩層に囲まれていることが明らかになり、その結果、コアは以前に提案されていたものよりも小さいです。 コア半径の減少は、以前に推定されたよりも高い密度を示しており、9 ～ 15 wt% の軽元素、主に S、C、O、H からなる金属コアと一致しています。 クレジット: Thibaut Roger、NCCR PlanetS、ETH Zurich

火星液体鉄の核は、これまで考えられていたよりも小さく、密度が高い。 それらは小さいだけでなく、溶岩の層に囲まれています。 これはチューリッヒ工科大学の研究者が着陸船インサイトからの地震データに基づいて結論付けたことです。

• 1年後 NASA InSight ミッションは終了しましたが、記録された火星の地震の分析とコンピューター シミュレーションの組み合わせにより、新たな結果が得られ続けています。
• 最初に観測された火星の地震の分析は、火星の核の平均密度が純粋な液体鉄の密度よりもはるかに低かったに違いないことを示しています。
• 新しい観測により、火星の核の半径が当初決定された1,800～1,850キロメートルの範囲から1,650～1,700キロメートルに減少したことが示された。

火星の内部の発見: NASA の InSight Lander からの洞察

NASA の着陸船インサイトは 4 年間、地震計を使用して火星の揺れを記録しました。 チューリッヒ工科大学の研究者たちは、地球の内部構造を解明するために地球に送られたデータを収集、分析しました。 「ミッションは2022年12月に終了しましたが、私たちは非常に興味深いものを発見しました」とチューリッヒ工科大学地球科学部の上級科学者アミール・カーンは言う。

火星のユニークなケイ酸塩層

記録された火星の地震の分析とコンピューター シミュレーションを組み合わせることで、火星の内部の新しい姿が描かれます。 火星の液体鉄の間に閉じ込められる 合金 惑星の核と固体ケイ酸塩マントルは、厚さ約 150 キロメートルの液体ケイ酸塩 (マグマ) の層の中にあります。 「地球にはこのように完全に溶けたケイ酸塩層はありません」とカーン氏は言う。

この結果は現在科学雑誌に掲載されています 自然 パリのモンド物理学研究所のアンリ・サミュエル氏による研究は、相補的な手法を用いて同様の結論に達しており、火星の核のサイズと組成に関する新たな情報も提供され、研究者らが以前に解決していた謎が解明された。 これまでのところ 彼には説明できませんでした。

火星の基本構成

最初に観測された火星の地震の分析により、火星の核の平均密度は純粋な液体鉄の密度よりもはるかに低かったはずであることが示されました。 たとえば、地球の核は重量の約 90% が鉄で構成されています。 硫黄、炭素、酸素、水素などの軽元素が合計約 10 重量パーセントを占めます。

火星の核の密度の初期推定では、それがはるかに大きな割合（重量の約 20%）の軽元素で構成されていることが示されました。 「これは非常に大きな軽元素のグループを表しており、不可能に近いことです。それ以来、私たちはこの結果について疑問を抱いてきました」とチューリッヒ工科大学地球科学部の博士研究員であるドンヤン・ファン氏は言う。

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国立科学研究センターの研究者でIPGPの地球力学者でもあるヘンリー・サミュエル氏が、ネイチャー誌に掲載された論文で提案された火星の内部構造の新しいモデルについて説明しています。 NASAのインサイトミッションの科学者らによって行われたこの研究は、火星のマントルは不均質であり、火星の核を覆う溶融ケイ酸塩の層で構成されていることを示唆している。 このモデルは、すべての地球物理学的観測を説明する、隕石衝突後に火星に記録された地震データを使用して構築されており、火星の内部構造と進化に関する私たちの見方に革命をもたらします。 クレジット: © IPGP

火星の本質を再定義する

新しい観測は、火星の核の半径が当初決定された1800～1850kmの範囲から、火星の半径の約50％に相当する1650～1700kmに減少したことを示している。 火星の核がこれまで考えられていたよりも小さいが、質量が同じである場合、それは密度がより高く、したがって含まれる軽元素の量が少ないことを意味します。 新しい計算によると、軽元素の割合は重量で 9 ～ 14 パーセントに減少しました。

「これは、火星の核の平均密度は依然としてかなり低いことを意味しますが、典型的な惑星形成シナリオの文脈ではもはや説明できないわけではありません」とチューリッヒ工科大学地球科学部助教授でメンバーのパオロ・スーシ氏は言う。全国地球科学委員会の。 Center of Competence in Research (NCCR) PlanetS。

火星の核に大量の軽い元素が含まれているという事実は、火星の核が非常に初期に形成されたことを示しており、おそらく太陽がまだ星雲ガスに囲まれていた頃であり、そこから軽い元素が火星の核に蓄積した可能性があります。

遠く離れた火星の地震を利用する

初期の計算は、インサイト着陸船の近くで発生した揺れに基づいていました。 しかし、2021年8月と9月に、地震計は火星の反対側で2つの地震を記録した。 そのうちの1つは隕石の衝突によるものでした。

「これらの地震は、地球の核を横切る地震波を発生させました」とチューリッヒ工科大学地球科学科の博士課程学生、セシリア・デュランは説明します。 「これにより、私たちは心を照らすことができました。」

対照的に、以前の火星の地震の場合、波は核とマントルの境界で反射され、赤い惑星の最も深い内部についての情報は得られませんでした。 これらの新しい観測の結果、研究者らは現在、深さ約 1,000 km までの液体コアの地震波の密度と速度を決定することができました。

量子力学的スーパーコンピューターシミュレーション

これらのプロファイルから材料の組成を推測するために、研究者は通常、そのデータを、異なる割合の軽元素 (S、C、O、H) を含む合成鉄合金のデータと比較します。 実験室では、これらの合金は火星の内部で見られるものと同等の高温と高圧にさらされるため、研究者は地震波の密度と速度を直接測定できます。

しかし、現時点では、ほとんどの実験は地球内部で一般的な条件で行われているため、火星にすぐに適用できるわけではありません。 その結果、チューリッヒ工科大学の研究者たちは別のアプローチに目を向けました。 彼らは、スイスのルガノにあるスイス国立スーパーコンピューティング センター (CSCS) で量子力学計算を使用して、さまざまな合金の特性を計算しました。

研究者らが計算されたプロファイルを InSight 地震データに基づく測定値と比較したとき、問題に遭遇しました。 火星の頂上と中心のデータに同時に一致する軽鉄合金は存在しないことが判明した。 たとえば、核とマントルの境界では、鉄合金には核の内部に見られるよりもはるかに多くの炭素が含まれているはずです。

「これまで外側の液体鉄核だと考えられていた領域が結局は核ではなく、マントルの最深部だったということに気づくまでに時間がかかりました」とフアン氏は説明する。 これを裏付けるように、研究者らはまた、火星の核の最外周150キロメートルで測定および計算された地震波の密度と速度が、火星のマントルを構成するのと同じ固体物質である液体ケイ酸塩で見つかったものと一致していることも発見した。 。

過去の火星の地震のさらなる分析と追加のコンピューターシミュレーションにより、この発見が確認されました。 残念ながら、埃っぽい太陽電池パネルとそれに伴う電力不足により、着陸船インサイトは火星の内部の組成と構造をさらに明らかにする可能性のある追加のデータを提供することができませんでした。 「しかし、InSight は非常に成功したミッションであり、今後何年にもわたって分析される多くの新しいデータと洞察を私たちに提供してくれました」とカーン氏は言います。

この研究の詳細については、NASA の InSight Lander Reveals the Mystery of Molten Mars を参照してください。

参考文献:

「火星の核の上に液体ケイ酸塩層があるという証拠」A. カーン、D. ファン、C. デュラン、P. A. ソッシ、D. ジャルディーニ、M. 村上著、2023 年 10 月 25 日、 自然。
土井: 10.1038/s41586-023-06586-4

「火星の中心部に溶融ケイ酸塩が豊富な層があるという地球物理学的証拠」ヘンリー・サミュエル、メラニー・ドリオ、アッティリオ・リヴォルディーニ、ジョンボ・シュー、クアンチン・ファン、ラファエル・F・ガルシア、ヴェドラン・レキッチ、ジェシカ・C・E・アーヴィング、ジェームズ・バドロ、フィリップ・H．ルニョニエ、ジェームズ コノリー、川村泰一、タマラ グドコバ、ウィリアム B. バナー、2023 年 10 月 25 日、 自然。
土井: 10.1038/s41586-023-06601-8

NASAのマーズ・インサイト・ミッション

ジェット推進研究室（ジェット推進研究室) NASA の科学ミッション部門の InSight を管理しました。 InSight は NASA のディスカバリー プログラムの一部であり、NASA のマーシャル宇宙飛行センターによって管理されています。 ロッキード・マーティン・スペースは、クルーズプラットフォームと着陸船を含むインサイト宇宙船を製造し、ミッションのための宇宙船の運用をサポートしました。

フランス国立宇宙研究センター (CNES) やドイツ航空宇宙センター (DLR) など、多くのヨーロッパのパートナーが InSight ミッションを支援しています。 フランス国立宇宙研究センターは、IPGP (パリ一般物理学研究所) の主任研究員とともに、内部構造耐震実験 (SEIS) 装置を NASA に贈呈しました。 SEIS への多大な貢献は IPGP によるものでした。 ドイツのマックス・プランク太陽系研究所（MPS）。 スイスのスイス連邦工科大学（ETHチューリッヒ）。 インペリアル・カレッジ・ロンドン 英国のオックスフォード大学。 そしてジェット推進研究所。 Marsquake サービスはチューリッヒ工科大学によって主導されており、IPGP からの多大な貢献を受けています。 の ブリストル大学; インペリアルカレッジ; ISAE (航空宇宙高等研究所); MPS。 そしてジェット推進研究所。 熱流および物理特性パッケージ (HP3) 機器は、ポーランド科学アカデミーの宇宙研究センター (CBK) とポーランドのアストロニカから多大な貢献を得て、DLR によって提供されました。 スペイン宇宙生物学センター (CAB) は、温度センサーと風センサーを提供しました。