Bevingen op Mars verraden dat de kern van de planeet vloeibaar is

Planeetonderzoek Of de kern van buurplaneet Mars vloeibaar is of niet, stond lange tijd ter discussie. Seismisch onderzoek geeft nu uitsluitsel.

Het oppervlak van Mars gefotografeerd door Marslander InSight (boven) en een impressie van het binnenste van Mars: een beving stuurt een golf door de planeet die door InSight wordt opgevangen.
Het oppervlak van Mars gefotografeerd door Marslander InSight (boven) en een impressie van het binnenste van Mars: een beving stuurt een golf door de planeet die door InSight wordt opgevangen. Foto’s NASA/JPL-Caltech, Chris Bickel/Science

Wat sommige onderzoekers al vermoedden, is nu bevestigd: de kern van Mars is vloeibaar. Die kern is groter dan tot nu toe werd gedacht en de buitenste harde, starre laag van de planeet is dikker. Deze conclusies trekken drie internationale onderzoeksteams vrijdag in het blad Science.

Door de golven te bestuderen die ontstaan bij Marsbevingen – en die geregistreerd werden door NASA’s Marslander InSight – brachten de teams de verschillende lagen van de binnenkant van Mars in kaart. Dat is een primeur. Want hoewel planeetwetenschappers al ideeën hadden over hoe andere planeten er inwendig uitzien, is het nu voor het eerst dat ze de binnenkant van een andere planeet dan de aarde observeren.

„Dit is echt een enorme sprong vooruit binnen het planeetonderzoek” – zegt Bart Root, planeetonderzoeker aan de TU Delft en niet bij de studie betrokken. „De binnenkant van een planeet vertelt ons iets over de ontstaansgeschiedenis van de planeet. Bijvoorbeeld waarom Mars zo’n enorme vulkaan, de Olympus Mons, heeft.”

Met een gemiddelde temperatuur van -55 graden Celsius lijkt Mars op een koude, stoffige woestijn en er is een dunne atmosfeer. Mars is een directe buurman van de aarde; vanaf de zon gezien is de aarde de derde planeet en Mars de vierde. De diameter van Mars, 6.800 kilometer, is ongeveer de helft van die van de aarde.

Onthullende golven

Bekend was al dat er op Mars aardbevingen, oftewel marsbevingen, zijn. In de afgelopen twee jaar registreerde InSight er meer dan vijfhonderd. Zo’n beving veroorzaakt verschillende soorten trillingen die door de planeet heen reizen als seismische golven.

De drie onderzoeksteams bestudeerden de seismische golven die zijn waargenomen door InSight, omdat die golven onthullen hoe de binnenkant van de planeet eruitziet. De manier waarop en de snelheid waarmee seismische golven zich voortplanten door verschillende lagen hangt af van bijvoorbeeld de chemische samenstelling, de dichtheid en de fase (gas, vast, vloeibaar en verschillende kristalfases) van het gesteente in de laag. „Seismische golven dienen dus als een soort reisdagboek”, zegt Paula Koelemeijer. Zij is seismoloog aan de Britse universiteit Royal Holloway en niet bij de studie betrokken. „Seismologie is het belangrijkste gereedschap dat we hebben om het inwendige van een planeet te observeren.” Voor InSight op Mars landde waren er alleen seismische gegevens beschikbaar van de aarde en van de maan.

Het eerste team – onder leiding van Simon Stähler, seismoloog aan de technische universiteit in Zürich – maakte een einde aan de discussie of de kern van Mars vloeibaar of vast is. Eerder was het nog onduidelijk of de kern al helemaal is afgekoeld tot vast metaal. Uit de sterkte en de oriëntatie van de golven die van de kern afkaatsten, volgde dat de kern vloeibaar is. „Interessant”, vindt Root. „De bewegende hete vloeibare kern in de aarde vormt een dynamo waardoor er een magnetisch veld ontstaat rondom de planeet. Op Mars is er geen sterk magnetisch veld. Wat maakt Mars hierin anders dan de aarde?”

Impressie van het binnenste van Mars: een beving stuurt een golf door de planeet die door InSight wordt opgevangen. Illustratie Chris Bickel/Science

Overigens was het wel al bekend dat Mars in het verleden wel een magnetisch veld had. De vingerafdrukken daarvan zijn gevonden in oud gesteente op Mars. „Het idee was dat Mars nu geen magnetisch veld meer heeft, omdat de kern zou zijn afgekoeld tot vast metaal”, zegt Root. „Maar die theorie gaat niet meer op.”

Het team ontdekte ook dat de kern een straal van ongeveer 1.830 kilometer heeft en dat inzicht zegt iets over de chemische samenstelling van de kern. De massa van de kern was al eerder bekend, maar de straal blijkt nu groter dan de meeste modellen schatten. „Dat duidt erop dat er ook lichtere elementen door het nikkel- en ijzermengsel zitten, het goedje waar de kern grotendeels uit bestaat”, zegt Koelemeijer. „Als hij alleen uit de zware elementen nikkel en ijzer zou bestaan, zou de kern met zo’n grootte veel zwaarder moeten zijn.”

Dikke statische laag

Amir Khan, geofysicus aan de technische universiteit in Zürich, en zijn collega’s bestudeerden de mantel van Mars. Dat is de laag direct onder de korst en boven de kern. Wat opviel was dat de snelheid van de seismische golven die van de korst naar grotere diepte afreisden, afnam op een diepte van zo’n vijfhonderd kilometer. Dat suggereert dat het bovenste harde en starre deel van de mantel (de lithosfeer) zo’n vijfhonderd kilometer dik is, aangezien seismische golven sneller reizen door massief dan door stroperig gesteente.

„Dat is veel dikker dan we verwachtten”, zegt Root. „Op zich is het niet zo gek dat de lithosfeer van Mars een beetje dikker is dan die van de aarde [ongeveer tweehonderd kilometer]. Mars is door zijn langere afstand tot de zon en zijn kleinere formaat kouder, wat ervoor zorgt dat meer gesteente afkoelt tot een dikke statische laag. Maar geen van de Mars-modellen kan zo’n groot verschil verklaren.”

Het derde team – onder leiding van Brigitte Knapmeyer-Endrun, seismoloog aan de universiteit van Keulen – bestudeerde de dikte van het stukje korst onder InSight met behulp van de seismische golven. Op basis van die seismische gegevens, de topografie en zwaartekrachtsmetingen schatte het team dat de dikte van de korst over de hele planeet tussen de 24 en 72 kilometer ligt. Ter vergelijking: de korst van de aarde is vier tot tachtig kilometer dik.

„De puzzelstukjes beginnen in elkaar te schuiven”, zegt Root. „Het was een mysterie waarom er grote vulkanen en kraters konden zijn op de planeet. Wat nu is waargenomen: de dunne, en dus relatief makkelijk vervormbare korst in combinatie met een dikke sterke lithosfeer, past perfect in het plaatje.”