Учёные из Университета Аризоны и Брауновского университета под руководством Александра Бирна применили метод «приливной томографии» (tidal tomography — способ изучения недр планеты по её деформации под действием притяжения) для исследования тепловой аномалии в мантии южного полушария Марса. Выяснилось, что этот участок недр нагрет примерно на 200–400 градусов Цельсия сильнее остальной мантии. Тёплая зона может хранить сведения о внутреннем разогреве планеты и о том, как Марс менялся за свою историю.
Аномалию удалось выявить по данным наблюдений аппаратов Mars Global Surveyor, Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter, собранным за 16 лет. Эти сведения отражают влияние сезонных приливных воздействий, возникающих при движении Марса по орбите вокруг Солнца. Как пояснил участник группы, постдокторант Брауновского университета Ник Вагнер, небольшие изменения марсианской орбиты вызывают небольшие изменения формы планеты.
«Когда Марс движется вокруг Солнца, гравитация Солнца слегка растягивает и сжимает планету, — сказал Вагнер. — Поскольку орбита Марса не является идеальным кругом, сила этого притяжения меняется в течение марсианского года, поэтому меняется и величина деформации Марса. Эта деформация называется приливной выпуклостью. Приливная выпуклость вызывает небольшое смещение массы внутри планеты, что порождает крошечные изменения её гравитационного притяжения. Аппарат, пролетающий над областью с чуть более сильной гравитацией, немного ускоряется, а над областью с чуть более слабой гравитацией — замедляется. Так мы можем использовать измеренные изменения скорости орбитальных аппаратов, чтобы оценить, насколько сжимается Марс».
Марс не единственное небесное тело, испытывающее подобные приливные деформации. Спутник Юпитера Ио считается самым ярким примером такой активности: при движении по орбите его притягивают и Юпитер, и спутник Европа, что растягивает Ио и приводит к интенсивной вулканической деятельности. По словам Вагнера, это происходит и на Земле, где аналогичные измерения проводятся с помощью GPS-станций. Он отметил, что его научный руководитель в Брауновском университете Харриет Лау помогла оценить плавучесть двух крупных «сгустков» под Тихим океаном и Африкой — так называемых провинций с низкой скоростью поперечных волн. «Интересно, что там есть и композиционная составляющая, то есть дело не только в разнице температур. Я думаю, что у этой марсианской аномалии тоже может быть композиционная составляющая, но для этого нужно провести дополнительное исследование», — пояснил он.
Главный вопрос — как возникла тёплая зона в южной мантии Марса. Она могла существовать с момента формирования планеты около 4,5 миллиарда лет назад, и в этом случае она определённо повлияла на геодинамическую эволюцию Марса. Не исключено также, что аномалия возникла из-за древнего удара. Примечательно, что кора южного полушария Марса значительно толще, чем северного, и это могло защищать мантию и сохранять её более тёплой на протяжении всей истории эволюции планеты. Если имел место любой из этих сценариев, исследователям предстоит большая работа, чтобы понять, как они повлияли на возникновение тёплой зоны.
Метод приливной томографии использует сигналы для измерения изменений формы планеты или спутника и позволяет учёным «заглянуть внутрь» небесного тела, не проникая в его поверхность. Он даёт сведения о составе коры и мантии Земли и Марса, а также о нюансах их орбит. Продолжающиеся измерения с аппаратов на орбите Марса будут и дальше фиксировать изменения по мере движения планеты вокруг Солнца. В будущем учёные, работающие с аппаратом Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE), с помощью специального радионаучного эксперимента на его борту составят карту гравитационного поля спутника Юпитера Ганимеда и получат новые данные о внутреннем строении этого мира. Кроме того, измерения его деформации под действием приливов помогут определить наличие и глубину внутреннего океана спутника, а также глубину и прочность его внешней ледяной оболочки. Подобные исследования могут быть полезны и для других миров, включая Меркурий и Энцелад (спутник Сатурна).
Для Марса дальнейшие измерения должны дать новые сведения о различиях в толщине коры планеты (её «корковой дихотомии»), а также о любой тектонической активности в недрах Красной планеты. Аномалия в южном полушарии — не единственный регион, заслуживающий изучения. В своей работе группа Бирна отметила, что будущие исследования помогут также разобраться в тепловых моделях планеты и во влиянии глубинной вулканической активности (образования магмы) на Марсе.