Mars snurrar mätbart snabbare: dygnet krymper varje år

Färska mätningar och analyser visar att den röda planeten långsamt accelererar sin rotation år efter år. Enligt holländska forskare döljer sig bakom denna subtila förändring en enorm, stigande massa djupt inne i Mars mantel – direkt under det vulkaniska Tharsis-platån. En slags gömd motor som gradvis snabbar upp planeten.

Planetforskare har följt Mars rotation sedan Viking-uppdragen på 1970-talet. Tack vare extremt exakta radiosignaler från moderna rymdsonder – framför allt NASA:s InSight-mission – har något blivit synligt som länge verkade osannolikt: rotationshastigheten ökar faktiskt.

Ett Mars-dygn – en fullständig rotation kring sin axel – blir varje år cirka 7,6 × 10⁻⁴ millisekund kortare. Det låter försvinnande lite, men för planetvetare är det en tydlig signal om att massfördelningen inne i Mars inte förblir stabil.

Mars beter sig inte som en stelnad, död värld, utan som en himlakropp vars inre fortfarande förskjuter sig och omfördelar energi.

Fysiken bakom fenomenet känns igen från konståkningsbanan. När en konståkare drar in armarna mot kroppen, snurrar hon fortare. Hon flyttar massan närmare rotationsaxeln, vilket minskar hennes tröghetsmoment och ökar rotationshastigheten. Exakt samma princip gäller för en planet – när massa samlas närmare axeln kan planeten accelerera.

Det väcker en brännande fråga: vilka interna processer förskjuter så stora mängder massa i en planet som tills nyligen betraktades som geologiskt nästan död?

En enorm lätt ’skiva’ djupt under vulkanområdet Tharsis

Ett internationellt forskarlag – bland andra från TU Delft och Utrechts universitet – kombinerade gravitationsmätningar från satelliter med seismiska data från InSight. Därmed skapade de en ny modell av Mars inre. Särskilt en region sticker ut: Tharsis, det gigantiska vulkaniska höglandet med jättevulkaner som Olympus Mons.

Satelliter som flyger över Tharsis accelererar något när de passerar de massiva vulkanområdena, för att sedan bromsa in igen. Denna gravitationssignal har kartlagts tidigare, men aldrig fullt ut förklarats. Klassiska modeller, som bara tar hänsyn till variationer i skorpans tjocklek och styvhet, stöter på patrull – oavsett hur parametrarna justeras förblir den uppmätta avvikelsen oförklarad.

Den nya undersökningen erbjuder ett alternativ: djupt i manteln, omkring 1 200 kilometer under Tharsis, finns en enorm, relativt lätt struktur. Föreställ dig ett slags platt skiva av varmare, mindre täta bergarter med följande egenskaper:

cirka 1 500 kilometer bred
omkring 400 kilometer tjock
ungefär 60 kilogram per kubikmeter mindre tät än det omgivande bergmaterialet

Eftersom detta material är lättare än omgivningen har det en tendens att långsamt röra sig uppåt – precis som en luftbubbla i vatten. Allteftersom denna massa förskjuts ändras viktfördelningen inne i planeten. Denna process visar sig stämma exakt med den uppmätta rotationsaccelerationen.

Forskarna kopplar för första gången en djupt liggande mantelstruktur direkt till förkortningen av Mars-dygnet.

En sådan uppstigande, varm ’pelare’ från manteln kallar geologerna för en mantelplym eller panache. På jorden är vulkaniska hotspots som Hawaii och Island kopplade till denna typ av plymer. På Mars kunde Tharsis ha samma slags djupt rotade motor – även om planeten idag är långt kallare och styvare än vår egen värld.

InSight levererade den saknade pusselbiten

Att forskarna överhuvudtaget kan ’titta’ så djupt in i Mars beror på den seismometer som InSight-landaren placerade på planeten 2018. Den registrerade tusentals skakningar och vibrationer, ända upp till avlägsna marsjordskälv. Från seismiska vågors utbredning kan man härleda hur tjocka och styva lagren i det inre är.

Före InSight sträckte sig uppskattningarna för skorpans tjocklek från cirka 24 till 72 kilometer – alldeles för oprecist för att fastställa gravitationsmodeller ordentligt. De nya seismiska data snävar in dessa marginaler betydligt:

genomsnittlig skorptjocklek: cirka 55 kilometer
litosfären (det styva yttre skalet): ner till omkring 500 kilometers djup
Mars kärna: fortfarande delvis flytande

Med dessa värden kunde teamet bygga en kombinerad modell som tar hänsyn till både litosfärens böjning och strömning i den djupa manteln. Denna modell beskriver planetens gravitationsfält betydligt bättre än äldre tillvägagångssätt. Den återstående signalen som blir kvar utgör exakt den markanta, stora anomalin under Tharsis.

Är Mars fortfarande vulkaniskt aktiv – och vad betyder det för oss?

Om det verkligen finns en aktiv mantelplym under Tharsis förändrar det bilden av Mars markant. Planeten skulle då inte vara fullständigt ’stelnad’, utan fortfarande ha intern värme och strömning. Det stämmer överens med andra tecken på relativt ung vulkanism, inklusive sammansättningen av vissa Mars-meteoriter funna på jorden.

För framtida Mars-uppdrag är detta inte en akademisk fråga. En fortfarande varm, långsamt strömmande mantel kan ha inverkan på:

möjlig framtida vulkanisk aktivitet – utbrott förväntas inte på kort sikt, men på geologiska tidsskalor kan jättevulkaner vakna till liv igen;
ytans långsiktiga stabilitet – långsam deformation och höjning av områden gör skillnad för var man säkert kan landa och bygga;
underjordiska värmekällor – något högre temperaturer på djupet kan påverka fruset vatten, salter och möjligen gamla spår av liv.

Accelerationen av Mars fungerar som en slags puls: svag, men mätbar och direkt kopplad till processer djupt under skorpan.

För vår egen planet ger forskningen användbar jämförelsegrund. Jorden, Venus och Mars är alla tre stenplaneter som började glödande heta. Ändå svalnade Mars långt snabbare, förlorade nästan hela sitt magnetfält och större delen av sin täta atmosfär. Genom att bättre förstå hur länge mantelströmning och plymer kan upprätthållas i en kall planet får vetenskaperna bättre grepp om varför vissa världar förblir beboeliga medan andra torkar ut.

Vilka uppdrag krävs för att bekräfta bilden?

Nuvarande data tecknar en stark, men ännu inte entydig bild. Forskarna pläderar för nya Mars-uppdrag som specifikt övervakar gravitationsfältet och eventuella förändringar i det. Tänk på en eller flera satelliter i exakta, låga banor kring planeten som under år kan mäta små förskjutningar i massfördelningen.

En långsamt uppstigande mantelplym på tusentals kilometers tvärsnitt lämnar över tid spår i gravitationsfältet. Med tillräckliga mätår kan en sådan trend bli synlig. Extra seismometrar utspridda över planeten skulle kartlägga den interna strukturen ännu skarpare och möjligen fånga direkta signaler från strömmande eller delvis smält material i manteln.

Vad betyder ett snabbare Mars-dygn i praktiken?

För framtida astronauter på en Mars-bas betyder den nuvarande accelerationen mycket lite. Ett Mars-dygn – en ”sol” – varar nu cirka 24 timmar och 37 minuter. Med den uppmätta accelerationen är skillnaden efter hundra år fortfarande bara bråkdelar av ett millisekund. Navigationssystem och klockor kan enkelt hantera sådana minimala justeringar.

Det avgörande är att accelerationen utgör ett mätbart uttryck för vad som pågår under den röda skorpan. För planetvetare är det en extra måttstock vid sidan av seismik, gravitation och ytornas geologi. Genom att lägga alla dessa data bredvid varandra uppstår det steg för steg en mer fullständig bild av en planet som trots allt är långt mindre död än man ofta har antagit.

För dem som intresserar sig för rymdfart och astronomi ger ämnet möjlighet att placera vissa begrepp bättre. Ett objekts tröghetsmoment uttrycker hur svårt det är att ändra rotationshastigheten – ju längre massa befinner sig från rotationsaxeln, desto större är tröghetsmomentet. Manteln är det tjocka lagret bergart mellan den relativt tunna skorpan och kärnan. Inom manteln kan det – beroende på temperatur och sammansättning – förekomma långsamma strömningar som påminner om extremt trögflytande lava. Sådana processer tar miljoner till miljarder år, men bestämmer i slutändan en planets ansikte och rytm.