Mars blijkt ook diep vanbinnen ‘tweezijdig’

Mars ziet er aan het oppervlak al uit alsof hij uit twee verschillende werelden bestaat: het zuiden bestaat grotendeels uit hoge, zwaar bekraterde hooglanden, terwijl het noorden lager gelegen en geologisch jonger is. Volgens een nieuwe studie in Nature gaat die tegenstelling waarschijnlijk dieper dan de korst. De mantel onder het zuiden zou 200–400 °C warmer zijn dan de mantel onder de noordelijke laagvlakten. Het materiaal lijkt daardoor zachter en mogelijk gedeeltelijk gesmolten. 310

De ontdekking geeft een nieuwe dimensie aan de zogenoemde korstdichotomie van Mars: de opvallende scheidslijn tussen de zuidelijke hooglanden en de noordelijke laagvlakten. Tegelijk blijft de oorsprong van dit temperatuurverschil onzeker.

Wat zit er onder de twee gezichten van Mars?

De zuidelijke hooglanden lijken boven een warmere mantel met een lagere viscositeit te liggen dan de noordelijke laagvlakten. Warmer mantelmateriaal vervormt gemakkelijker dan koud, stijf gesteente. De onderzoekers houden bovendien rekening met gedeeltelijke smelting onder het zuidelijk halfrond. 310

Dat is belangrijk omdat de tweedeling aan het oppervlak al een van de grootste geologische kenmerken van Mars is. Het zuiden ligt hoger en is sterker bekraterd; de noordelijke vlakten liggen lager en worden al langer genoemd als mogelijke locatie van een oceaan in het verre verleden. Modellen wijzen er doorgaans ook op dat de korst in het zuiden dikker is dan in het noorden. 31

De nieuwe metingen suggereren daarom dat het tweezijdige uiterlijk van Mars niet alleen samenhangt met verschillen in hoogte, ouderdom en korstdikte. Ook het binnenste van de planeet lijkt een duidelijke noord-zuidasymmetrie te vertonen.

Hoe ruimtemetingen de warme mantel onthulden

De onderzoekers verwerkten opnieuw 16 jaar aan uiterst nauwkeurige radiovolggegevens van drie NASA-missies: Mars Global Surveyor, Mars Odyssey en Mars Reconnaissance Orbiter. Door te volgen hoe de zwaartekracht van Mars de banen van deze ruimtesondes beïnvloedt, kunnen wetenschappers een gedetailleerd zwaartekrachtsveld samenstellen. Die gegevens bevatten ook informatie over onder meer getijden en korstdikte. 2

De cruciale aanwijzing komt van de kleine vervorming die de zwaartekracht van de zon in Mars veroorzaakt. Terwijl Mars zijn baan rond de zon aflegt, verandert de reactie van de planeet op die getijdenwerking. In plaats van Mars te behandelen alsof het overal dezelfde eigenschappen heeft, onderzochten de wetenschappers met getijdentomografie hoe die reactie per regio verschilt. 812

De temperatuur en fysieke toestand van de mantel beïnvloeden de stijfheid, viscositeit en manier waarop getijdenenergie wordt gedempt. Door het geografische patroon van de veranderende zwaartekrachtrespons te modelleren, leidden de onderzoekers af dat de mantel onder het zuiden warmer en mechanisch zwakker is dan die onder het noorden. De huidige temperatuurafwijking wordt geschat op ongeveer 200–400 °C. 3

Dit is een indirecte meting: geen enkele ruimtesonde heeft de mantelt temperatuur rechtstreeks gemeten. De onderzoekers maten zwaartekracht en getijdenwerking en gebruikten vervolgens natuurkundige modellen om de onderliggende structuur te reconstrueren.

Wat kan de warmte vertellen over de geschiedenis van Mars?

Magnetische sporen in het zuiden

De sterkste blijvende magnetische anomalieën bevinden zich vooral in de oude zuidelijke hooglanden. Ze zijn een soort geologisch geheugen: gesteente kan magnetisatie hebben behouden die ontstond toen Mars nog een wereldwijd magnetisch veld had. 3037

Een warmer binnenste in het zuiden kan invloed hebben gehad op vroege smelting, vulkanisme en de vorming of verandering van korst waarin zulke magnetische signalen bewaard bleven. Dat is een mogelijke samenhang, geen bewijs dat deze warmte-afwijking op zichzelf het oude magnetische veld of alle magnetische structuren heeft veroorzaakt.

Warmte, water en hydrothermale activiteit

Interne warmte kan vulkanisme en hydrothermale circulatie aandrijven. Eerder onderzoek bracht delen van de magnetische korst in de zuidelijke hooglanden in verband met valleinetwerken en mogelijke hydrothermale uitstroom boven ondergrondse intrusies. 26

De nieuwe uitkomst geeft onderzoekers een extra eigenschap van het binnenste om te vergelijken met de oude watergeschiedenis van Mars. Als de warmte in het zuiden lang genoeg bleef bestaan, kan ze plaatselijk grondwatercirculatie of ondergrondse omgevingen met water hebben ondersteund. Dat is relevant voor de vroegere bewoonbaarheid van de planeet, maar de studie bewijst niet dat een bepaald bekken ooit leven bevatte of gedurende een vastgestelde periode nat bleef.

Mantelbeweging en tektoniek

De temperatuurafwijking vormt ook een nieuwe toets voor modellen over de vroege ontwikkeling van Mars. Wetenschappers discussiëren al langer over de vraag of de planeet lokale mantelconvectie, recycling van de lithosfeer of een beperkte vorm van plaattektoniek heeft gekend. Lineaire magnetische structuren zijn soms aangevoerd als aanwijzing voor vroege plaattektoniek, maar die interpretatie blijft omstreden. Een NASA-analyse concludeerde eerder dat het bewijs geen sterke steun bood voor plaattektoniek zoals op aarde. 27

De nieuwe studie toont dus niet aan dat Mars ooit moderne tektonische platen had. Wel moet elk model van het vroege binnenste van de planeet rekening houden met een aanzienlijk temperatuurverschil tussen noord en zuid.

Waardoor werd de zuidelijke mantel zo heet?

De metingen laten een asymmetrie zien, maar geven nog geen definitief antwoord op de vraag hoe die ontstond. Verschillende verklaringen blijven mogelijk:

• Een reusachtige inslag in het vroege Mars: een enorme botsing kan de korst en mantel hebben herschikt, de oppervlaktescheiding hebben gevormd en langdurige warmte hebben achtergelaten.
• Langdurige convectie in het zuiden: een opstijgende pluim of andere aanhoudende mantelstroming kan warmte naar het zuidelijk halfrond hebben gebracht.
• Warmte onder dikke geologische structuren: een dikkere zuidelijke korst of lithosfeer kan als isolatielaag hebben gewerkt, waardoor het onderliggende mantelmateriaal langzamer afkoelde.

Op basis van de huidige gegevens is niet overtuigend vast te stellen welk mechanisme de doorslag gaf. De meest voorzichtige conclusie is dat de korstdichotomie van Mars een diepe, thermische tegenhanger heeft: de mantel onder de zuidelijke hooglanden wordt momenteel geschat als aanzienlijk heter en zachter dan de mantel onder de noordelijke laagvlakten. Verdere zwaartekrachtsmetingen, seismisch onderzoek en geologische modellen moeten uitwijzen of dit een overblijfsel is van het ontstaan van Mars of deel uitmaakt van een veel langer actief patroon in het binnenste.