Hemlig het bubbla under Mars accelererar planetens rotation – forskare chockade

Marsdagar blir en aning kortare varje år

Nya mätningar och modeller pekar på en överraskande process djupt inne i den röda planetens mantel. En enorm, het och relativt lätt stenmassa rör sig sakta uppåt, vilket förskjuter massan i det inre och får Mars rotation att accelerera en aning år efter år.

Sedan Viking-uppdragen på 1970-talet har forskare noggrant följt Mars rotationshastighet. Den centrala upptäckten är slående: planeten roterar kring sin axel med ständigt ökande hastighet. Skillnaden är extremt liten, men den är mätbar.

Radiomätningar från NASAs InSight-landare visar att en marsdag varje år förkortas med cirka 7,6 × 10⁻⁴ millisekund. Det är omärkligt för en människa, men på geologiska tidsskalor pekar en sådan trend på en allvarlig intern process.

Mars vinner varje år en mikroskopisk aning i hastighet — som om någon försiktigt vrider på planetens hastighetskontroll.

Fysiken bakom detta är välkänd: när massa inuti ett roterande objekt rör sig närmare rotationsaxeln, sjunker tröghetsmomentet och rotationen accelererar. Samma princip ser man hos en konståkare som drar in armarna för att snurra snabbare.

Det betyder att det pågår en massförskjutning djupt inne i Mars — inte vid ytan, utan djupt under skorpan, inne i manteln. Den stora frågan var fram till nu: vad är det exakt som rör sig, och var sker det?

Tharsis: vulkanisk tungviktare med en märklig gravitationssignal

Nyckeln ligger under Tharsis, ett enormt högland på Mars som storleksmässigt kan jämföras med Afrika. Här hittar man solsystemets största kända sköldvulkaner, däribland Olympus Mons, som reser sig mer än 21 kilometer över ytan.

Den kolossala massan påverkar Mars gravitationsfält. Satelliter som flyger över Tharsis accelererar lätt när de passerar över tyngdpunkten och saktar ner igen när de rör sig förbi. Precisa mätningar ger på så sätt en sorts gravitationskartläggning av planeten.

Denna karta visar inte bara en gravitationsbuckla under Tharsis, utan också en bred ”fördjupning” runt omkring den. Det mönstret pekar på strukturer djupare inne i planeten, eftersom signaler med så stora våglängder inte bara härstammar från skorpan, utan främst från manteln.

Forskare från TU Delft och Universitetet i Utrecht kombinerade detta gravitationsfält med seismiska data från InSight. De upptäckte att modeller som bara inkluderar de översta lagren — skorpan och litosfären — helt enkelt inte kan återskapa den uppmätta gravitationssignalen. Oavsett hur de justerade skorpans tjocklek eller styvhet stämde det inte överens.

En gigantisk varm bubbla 1 200 kilometer ner

Först när forskarna lade till en extra struktur i den djupa manteln föll bitarna på plats. Den bästa förklaringen är en enorm zon av relativt lätt, varmt bergmaterial som sakta stiger upp under Tharsis.

• Placering: cirka 1 200 kilometer under ytan
• Diameter: omkring 1 500 kilometer
• Tjocklek: cirka 400 kilometer
• Densitet: cirka 60 kilogram per kubikmeter lägre än det omgivande materialet

Man kan föreställa sig det som en gigantisk, platt bubbla av varmt bergmaterial — så stor som en betydande del av Västeuropa — som flyter i den tyngre, kallare mantelstenen. På grund av densitetsskillnaden har denna ”bubbla” en tendens att sakta stiga uppåt, precis som en luftbubbla i vatten.

Den beräknade massförskjutningen från denna stigande struktur stämmer anmärkningsvärt väl överens med den uppmätta accelerationen av Mars rotation.

Enligt studien är den varma bubblan ingen liten lokal oregelbundenhet, utan en storskalig mantelplym: en uppstigande pelare av varmt material från planetens djupa inre.

InSight gjorde Mars inre mycket mindre gåtfullt

Att forskare nu kan identifiera denna process beror i hög grad på den solida mätserien från InSight-landaren, som från 2018 registrerade marsskalv och gravitationseffekter tills uppdraget avslutades.

Genom att analysera seismiska vågor fick forskarna konkreta siffror om Mars uppbyggnad under landaren. Härifrån kom bland annat följande värden:

Dessa data begränsar kraftigt antalet möjliga modeller för Mars inre. Kombinerat med gravitationsfältet kunde forskarna beräkna med mycket större precision. Den slutliga modellen, som kombinerar litosfärisk böjning och mantelströmning, beskriver Mars gravitationsfält bättre än tidigare försök. Och just i den förbättrade modellen dyker den djupa anomalin under Tharsis upp som den saknade pusselbiten.

Är Mars långt ifrån ”död” inuti?

Länge betraktades Mars som en i stort sett utdöd värld. De stora vulkanerna troddes inte ha spytt ut lava på tiotusentals miljoner år, och seismisk aktivitet verkade minimal. Antydan om att det nu finns en aktiv mantelplym rubbar denna bild.

En varm uppstigande struktur i manteln pekar på pågående värmeströmmar och långsamt flytande bergarter. Det kan betyda att vulkanism inte helt tillhör det förflutna, utan försiggår i långa cykler. Sammansättningen och åldern hos vissa marsmeteoritter — de så kallade shergottiterna — har redan länge pekat på relativt ung vulkanisk aktivitet.

Den nya studien visar att den hastighet med vilken mantelplymen stiger passar bra med den uppskattade perioden mellan vulkaniska episoder på Mars. Det ger näring åt tanken om att det kanske åter kan uppstå nya vulkaniska impulser under Tharsis, även om det på mänskliga tidsskalor troligen kommer att vara nästan omärkligt.

Vad vi fortfarande behöver mäta för att vara säkra

Forskarna understryker att deras förklaring för tillfället passar bäst med tillgängliga data, men att den inte är den enda tänkbara möjligheten. För att verkligen pröva om mantelplymen är aktiv och i rörelse krävs nya uppdrag.

Särskilt ett uppdrag som över lång tid kan följa förändringar i Mars gravitationsfält skulle vara avgörande. En rörlig massa av denna storlek kommer med tiden att orsaka minimala förskjutningar i gravitationssignalen. Med känsliga satelliter låter det sig mätas, jämförbart med GRACE-uppdragen som på jorden spårar variationer i ismassa och grundvatten.

Om Mars gravitationsfält ändras mätbart över tid kan det direkt avslöja var och hur manteln är i rörelse.

Dessutom skulle extra landare med seismometrar, spridda över olika regioner, ge en mycket bättre överblick över skorpans tjocklek och djupet av övergångszoner i manteln. Därmed kan modellerna förfinas ytterligare, och bilden av Mars interna strömning kan bli mer konkret.

Vad detta berättar för oss om beboeliga planeter generellt

Frågan om huruvida Mars fortfarande är internt aktiv sträcker sig långt bortom ren nyfikenhet över en planet. Värmeströmmar, mantelplymer och vulkanism spelar en avgörande roll i jordliknande världars långsiktiga utveckling.

På jorden hjälper mantelplymer och plattektonik till att leda värme ut från det inre. Gaser som koldioxid utbyts löpande mellan djupet och atmosfären, vilket bidrar till ett stabilt klimat på geologiska tidsskalor. Venus har ingen tydlig plattektonik, men verkar vara internt aktiv på ett annat sätt, med möjligen storskalig vulkanisk aktivitet i perioder.

Mars befinner sig någonstans mittemellan: mindre, snabbare avsvalnad, men möjligen inte fullständigt stelnad. Det ger en extra kontext till frågan om varför jorden förblev beboelig under lång tid, medan Mars förlorade sin tjocka atmosfär och sitt ytvatten.

För framtida bemannade uppdrag och långvariga baser på Mars är kunskapen om intern aktivitet allt annat än teoretisk. En planet med en fortfarande någorlunda varm mantel erbjuder en annan geokemisk miljö än en totalt utdöd värld. Värmekällor, möjliga hydrotermala system i undergrunden och långsam deformation av skorpan spelar alla en roll i riskbedömningar och i jakten på gamla — eller kanske till och med fortfarande existerande — spår av liv.

Den som tänker på Mars långa framtid — som forskningsmål, möjlig destination för kolonister eller som laboratorium för planetvetenskap — ser sedan dessa resultat annorlunda på den till synes stilla röda skivan på natthimlen. Denna värld visar sig vara långt mindre förstena än antaget, med ett långsamt bultande inre djupt under dammet som ger hela planeten en försiktig knuff framåt.