Marsin päivä lyhenee: vaipanpylväs vaikuttaa pyörimiseen

Mars lyhentää päivänsä kymmeniä tuhannesosia sekunnista — murto-osia millisekunnista. Se kuulostaa mitättömältä, mutta planeettatutkijoille tuo pieni muutos on vihje: sormenjälki liikkeestä planeetan ruostuneen kuoren syvyyksissä. Tässä ilmiössä yhdistyvät Marsin pyörimisdynamiikka, sisäisen massan jakautuma ja pitkäaikainen geologinen kehitys.

NASA:n InSight-luotaimen keräämät tiedot, kun niitä verrattiin 1970-luvun Viking-luotainten mittauksiin, paljastivat Marsin pyörimisnopeuden hienoisen kiihtymisen. Pitkällä aikavälillä Punaisen planeetan vuorokausi on lyhentynyt vähitellen, askel kerrallaan. Peruskysymys on yksinkertainen mutta syvällinen: mikä liikkuu Marsin sisällä siten, että pyörimisakselin ympäröivä hitaus muuttuu ja päivä lyhenee?

Pylväät, massan poikkeamat ja pyörivä planeetta

Delftin teknillisen yliopiston tutkijaryhmä uskoo löytäneensä yhden mahdollisen vastauksen. Mallinnukset osoittavat suuren, nousuvoimaisen vaipanpylvään (mantelipylvään) olemassaolon Tharsiksen alueen alla. Tharsis on laaja tulivuoriprovinssi Marsin päiväntasaajan lähettyvillä, ja sinne sijoittuvat muun muassa Olympus Mons ja useat muut valtavat muodostelmat. Tutkijoiden mukaan tämä vaipanpylväs olisi ympäröivää kiveä vähemmän tiheä — ilmiö, jota he kutsuvat "negatiiviseksi massanomaliaksi".

Mitkä fysikaaliset mekanismit selittävät tämän? Kuvittele luistelija, joka pyörähtää paikoillaan: kun luistelija vetää käsivartensa ja jalkansa lähemmäs vartaloa, pyörimisnopeus kasvaa kulmanmomentin säilymisen vuoksi. Planeetalla sama periaate toimii, kun massa siirtyy lähemmäs tai kauemmaksi pyörimisakselista. Jos kevyempi, nouseva vaipanmateriaali kohoaa päiväntasaajan lähettyville, painavampi materiaali voi laskeutua lähemmäs akselia muilla alueilla, jolloin kokonaismomentti pienenee ja pyörimisnopeus kasvaa vähäisesti. Tällainen sisäinen massan uudelleenjakautuminen voi selittää havaitun pienen kiihtymän.

"Marsin pinta on niin vanha ja siinä näkyy monimutkaisia, pitkälti huonosti ymmärrettyjä prosesseja," sanoo Bart Root, tutkimuksen pääkirjoittaja ja planetaarisen tutkimuksen apulaisprofessori Delftissä. Root korostaa, että yhdistämällä Maan kaltaisten sisäisten dynamiikkojen mallinnusta ja pinnan geologiaa voidaan muodostaa yhtenäisempi ja yksityiskohtaisempi kuva Marsin evoluutiosta. Kirjoitus on kirjaimellisesti punaisessa hiekassa: pinnan muodostumat kantavat tietoa menneistä tapahtumista ja sisäisistä voimista.

Ryhmän analyysi perustui InSightin seismisiin mittauksiin ja gravitaatioherkkiin havaintoihin, joita käytettiin simulointien raja-arvoina. InSightin seismometrin ja muutamien muiden mittalaitteiden tarjoamat tiedot auttoivat rajoittamaan vaipanpylvään ominaisuuksia, kuten kokoa, tiheyttä ja lämmöntuottoa koskevia parametreja. Mallit viittaavat siihen, että Tharsiksen alla oleva vaipanpylväs voisi ajoittain toimittaa sulamisvyöhykkeitä litosfäärille — litosfääri on Marsin jäykkä kuori, jonka paksuus on arvioitu olevan noin 310 mailia (noin 500 kilometriä) tietyillä alueilla. Tällainen satunnainen sulaminen ja materiaalin korvautuminen selittäisi sekä geologisen aineiston että mitatun pyörimiskiihtymän.

Käytännössä tämä tarkoittaa, että vaipan nouseva materiaali voi aiheuttaa paikallisia massapoikkeamia, jotka vaikuttavat planeetan hitausmomenttiin. Vaikka yksittäinen tapahtuma olisi pieni, pitkän ajan kuluessa toistuvat episodit tai pitkään vaikuttavat prosessit voivat kumuloitua niin, että havaitsemme muutoksen päivän pituudessa. Mallintaminen osoittaa, että tällainen mekanismi on fysikaalisesti uskottava ja sopusoinnussa olemassa olevien seismisten ja gravimetrisen datan kanssa.

Seuraukset Marsin geologiassa ja tulevalle tutkimukselle

Jos tämä kuva on oikea, Mars ei olekaan niin geologisesti kuollut kuin usein oletetaan. Syvät lämpöreservit ja nousuvoimaiset materiaalit saattavat yhä olla liikkuvia, aiheuttaen ajoittaista pintavuoristotoimintaa ja hienovaraista pyörimisnopeuden muuttelua. Tharsiksen kohouma voisi siten kuvastaa enemmänkin pitkäkestoisen, globaalia asteikkoa olevan sisäisen toiminnan pinnallista ilmentymää kuin vain vanhojen tulivuorten kasaumaa.

Tällainen tulkinta muuttaisi käsitystämme Marsin lämpöhistoriasta, vaipan konvektiosta ja litosfäärin kyvystä vastaanottaa ja johtaa vulkaanista materiaalia. Esimerkiksi episodinen magman nousu litosfäärin alle voi selittää karkeita piirteitä pinnan ikäjakaumassa: pitkien taukojen jälkeen tapahtuvat uudet sulamis- ja purkautumisjaksot jättäisivät kerroksia ja muotoja, joita nykyiset kartat ja yksiöt havainnoivat.

Toki epävarmuuksia on paljon. Delftin ryhmän ns. takkinsa sisäiset arvioinnit eli yksinkertaiset laskelmat tuottavat oikean kertaluokan pyörimisnopeuden muutokselle, mutta tutkijat itse korostavat, että niiden täydentämiseksi tarvitaan tarkempia, kolmessa ulottuvuudessa toimivia dynamiikkamalleja. Kolmiulotteinen mallinnus mahdollistaa monimutkaisempien virtauksen, lämmönsiirron ja kivettymämekaniikkojen realistisemman kuvaamisen, jolloin vaipanpylvään muodon, sijainnin ja vaikutuksen rajoja voidaan kaventaa. Sekä seismologia että gravimetria hyötyisivät tällaisesta lisäanalyysistä.

Suorat ja tarkemmat mittaukset Marsin painovoimakentästä auttaisivat suuresti ongelman ratkaisemisessa. Tämän vuoksi tutkijat ehdottavat selkeästi: lähetetään omistettu gravitaatiomissio Marsiin. Tällainen missio, joka voisi toimia joko kiertolaisena tai usean samanaikaisen satelliitin muodossa, pystyisi mittaamaan alhaalta ylöspäin suuntautuvien massapoikkeamien sijaintia ja suuruutta yksityiskohtaisella resoluutiolla. Erityisesti radio-seurantamenetelmät, Doppler-tekniikat sekä mahdollisesti laser- ja satelliittinavigaatioon perustuvat mittaukset voisivat paljastaa, onko Tharsiksen alla todellakin negatiivinen massanomalia vai ilmoitetaanko nykyinen selitys vääräksi.

Hankkeen suunnittelussa olisi huomioitava, että gravimetria Marsissa kohtaa haasteita, kuten pinnan vaihtelevat tiheydet, paikalliset topografiset piirteet ja mahdolliset läpäisevät vulkaaniset kerrostumat. Silti teknologiset edistysaskeleet ja aiemmat kokemukset Maan ja muiden planeettojen satelliittigravimetrisista mittauksista antavat hyvät lähtökohdat. Lisäksi InSightin tarjoama seisminen referenssi ja tulevat seismometrimittaukset voisivat yhdessä tarjota vahvan datakombinaation, jolla testata vaipanpylväs-hypoteesia.

Kuten planeettatutkimuksessa usein käy, pienet signaalit voivat avata suuria tarinoita. Muutamat murto-osat millisekunnista vuorokaudessa saattavat ajan myötä paljastaa, miten Marsin sisus toimii, miten sen tulivuoret ovat eläneet ja kuolleet, ja millä tavoin kallioplaneetat muuttuvat sisältäpäin. Ymmärrys näistä prosesseista ei ainoastaan täydennä käsitystämme Marsin historiasta, vaan myös laajentaa yleisempiä teorioita planetaarisesta dynaamisuudesta ja pyörimisliikkeen sekä massajakauman välisistä yhteyksistä.