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| Impresión artística de la estructura interna de Marte. Crédito: © IPGP / David Ducros |
Gracias a la información obtenida de una docena de terremotos detectados en Marte por el sismómetro de banda muy ancha SEIS, desarrollado en Francia, el equipo internacional de la misión InSight de la NASA ha desvelado la estructura interna de Marte. Los tres artículos publicados el 23 de julio de 2021 en la revista Science, en los que participan numerosos coautores de instituciones y laboratorios franceses, entre ellos el CNRS, el Instituto de Física del Globo de París y la Universidad de París, y que cuentan con el apoyo, en particular, de la agencia espacial francesa CNES y de la Agencia Nacional de Investigación francesa ANR, proporcionan, por primera vez, una estimación del tamaño del núcleo del planeta, del espesor de su corteza y de la estructura de su manto, a partir del análisis de las ondas sísmicas reflejadas y modificadas por las interfaces de su interior. Se trata de la primera exploración sísmica de la estructura interna de un planeta terrestre distinto de la Tierra, y un paso importante para comprender la formación y la evolución térmica de Marte.
Antes de la misión InSight de la NASA, la estructura interna de Marte era aún poco conocida. Los modelos se basaban únicamente en los datos recogidos por los satélites en órbita y en el análisis de los meteoritos marcianos caídos en la Tierra. Basándose únicamente en los datos gravitatorios y topográficos, se estimaba que el grosor de la corteza era de entre 30 y 100 km. Los valores del momento de inercia y la densidad del planeta sugerían un núcleo con un radio de 1.400 a 2.000 km. Sin embargo, la estructura interna detallada de Marte y la profundidad de los límites entre la corteza, el manto y el núcleo eran completamente desconocidas.
Con el despliegue exitoso del experimento SEIS en la superficie de Marte a principios de 2019, los científicos de la misión, incluidos los 18 coautores franceses involucrados y afiliados a una amplia gama de instituciones y laboratorios franceses, junto con sus colegas de ETH en Zúrich, la Universidad de Colonia y el Laboratorio de Propulsión a Chorro en Pasadena, recogieron y analizaron datos sísmicos durante un año marciano (casi dos años terrestres).
Cabe señalar que para determinar simultáneamente un modelo estructural, la hora (de llegada) de un terremoto y su distancia, suele ser necesaria más de una estación. Sin embargo, en Marte los científicos sólo disponen de una estación, InSight. Por lo tanto, fue necesario buscar en los registros sísmicos los rasgos característicos de las ondas que habían interactuado de diversas maneras con las estructuras internas de Marte, e identificarlas y validarlas. Estas nuevas mediciones, unidas a la modelización mineralógica y térmica de la estructura interna del planeta, han permitido superar la limitación de disponer de una única estación. Este método inaugura una nueva era para la sismología planetaria.
Una sola estación, múltiples hallazgos
Otra dificultad en Marte es su baja sismicidad y el ruido sísmico generado por su atmósfera. En la Tierra, los terremotos son mucho más fuertes, mientras que los sismómetros están mejor situados en bóvedas o bajo tierra, lo que permite obtener una imagen precisa del interior del planeta. Por ello, hubo que prestar especial atención a los datos. "Pero aunque los terremotos marcianos tienen una magnitud relativamente baja, inferior a 3,5, la altísima sensibilidad del sensor VBB, combinada con el bajísimo ruido nocturno, nos ha permitido hacer descubrimientos que, hace dos años, pensábamos que sólo eran posibles con terremotos de magnitud superior a 4", explica Philippe Lognonné, profesor de la Universidad de París e investigador principal del instrumento SEIS en el IPGP.
Cada día, los datos, procesados por el CNES, el IPGP y el CNRS, y transferidos a los científicos, se limpiaron cuidadosamente del ruido ambiental (viento y deformación relacionada con los rápidos cambios de temperatura). El equipo internacional del Servicio de Terremotos de Marte (MQS) registró diariamente los eventos sísmicos: Ya se han catalogado más de 600, de los cuales más de 60 fueron causados por terremotos relativamente lejanos.
Una decena de estos últimos contienen información sobre la estructura profunda del planeta: "Las ondas sísmicas directas de un terremoto son un poco como el sonido de nuestras voces en las montañas: Producen ecos. Y fueron estos ecos, reflejados en el núcleo, o en la interfaz corteza-mantel o incluso en la superficie de Marte, los que buscamos en las señales, gracias a su similitud con las ondas directas", explica Lognonné.
Una corteza alterada, un manto revelado y un gran núcleo líquido
Al comparar el comportamiento de las ondas sísmicas en su recorrido por la corteza antes de llegar a la estación InSight, se identificaron varias discontinuidades en la corteza: La primera, observada a unos 10 km de profundidad, marca el límite entre una estructura muy alterada, resultado de la circulación de fluidos hace mucho tiempo, y una corteza sólo ligeramente alterada. Una segunda discontinuidad a unos 20 km de profundidad y una tercera, menos pronunciada, a unos 35 km, arrojan luz sobre la estratificación de la corteza bajo InSight: "Para identificar estas discontinuidades, utilizamos todos los métodos analíticos más recientes, tanto con terremotos de origen tectónico como con vibraciones causadas por el entorno (ruido sísmico)", explica Benoit Tauzin, profesor titular de la Universidad de Lyon e investigador del LGL-TPE.
En el manto, los científicos analizaron las diferencias entre el tiempo de viaje de las ondas producidas directamente durante el terremoto y el de las ondas generadas cuando estas ondas directas se reflejaron en la superficie. Estas diferencias permitieron, utilizando una sola estación, determinar la estructura del manto superior y, en particular, la variación de las velocidades sísmicas con la profundidad. Sin embargo, estas variaciones de velocidad están relacionadas con la temperatura. "Eso significa que podemos estimar el flujo de calor de Marte, que probablemente es de tres a cinco veces menor que el de la Tierra, y poner límites a la composición de la corteza marciana, que se cree que contiene más de la mitad de los elementos radiactivos productores de calor presentes en el planeta", añade Henri Samuel, investigador del CNRS en el IPGP.
Por último, en el tercer estudio, los científicos buscaron las ondas reflejadas en la superficie del núcleo marciano, cuya medición del radio fue uno de los principales logros de la misión InSight. "Para ello", explica Mélanie Drilleau, ingeniera de investigación del ISAE-SUPAERO, "probamos varios miles de modelos del manto y del núcleo con las fases y señales observadas". A pesar de las bajas amplitudes de las señales asociadas a las ondas reflejadas (conocidas como ondas ScS), se observó un exceso de energía en los núcleos con un radio de entre 1.790 km y 1.870 km. Un tamaño tan grande implica la presencia de elementos ligeros en el núcleo líquido y tiene importantes consecuencias para la mineralogía del manto en la interfaz manto/núcleo.
Objetivos alcanzados, surgen nuevos interrogantes
Más de dos años de seguimiento sísmico han dado como resultado el primer modelo de la estructura interna de Marte, hasta el núcleo. Marte se une así a la Tierra y a la Luna en el selecto club de planetas y lunas terrestres cuyas estructuras profundas han sido exploradas por los sismólogos. Y, como suele ocurrir en la exploración planetaria, surgen nuevas preguntas: ¿La alteración de los 10 km superiores de la corteza es general o se limita a la zona de aterrizaje de InSight? ¿Qué impacto tendrán estos primeros modelos en las teorías sobre la formación y la evolución térmica de Marte, en particular para los primeros 500 millones de años, cuando Marte tenía agua líquida en su superficie y una intensa actividad volcánica?
Con la prórroga de dos años de la misión InSight y la energía eléctrica adicional obtenida tras la exitosa limpieza de sus paneles solares llevada a cabo por el JPL, los nuevos datos deberían consolidar y mejorar aún más estos modelos.
Fuentes, créditos y referencias:
Más información: B. Knapmeyer-Endrun en la Universidad de Colonia en Bergisch Gladbach, Alemania el al., "Thickness and structure of the martian crust from InSight seismic data," Science (2021).
https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abf8966
S.C. Stähler el al., "Seismic detection of the Martian core" (Detección sísmica del núcleo marciano), Science (2021). https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abi7730
A. Khan el al., "Upper mantle structure of Mars from InSight seismic data," Science (2021).
https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abf2966
S. Cottaar el al., "The interior of Mars is revealed," Science (2021). https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abj8914
Créditos a PhysOrg