La misión InSight de la NASA revela detalles del núcleo de Marte

El dios de la guerra del sistema solar tiene un corazón más grande de lo esperado: utilizando el primer sismómetro de la humanidad en otro planeta, los investigadores han analizado la estructura interior de Marte por primera vez, incluido su núcleo líquido de gran tamaño.

Los descubrimientos, publicados el 22 de julio en tres estudios en la revista Science, marcan el último triunfo científico del módulo de aterrizaje InSight de la NASA, que llegó a la llanura ecuatorial conocida como Elysium Planitia en noviembre de 2018. La nave espacial estacionaria ha medido leves "martemotos" que retumban en el planeta desde principios de 2019.

En la Tierra, las ondas sísmicas pueden revelar la estructura interna de nuestro planeta al revelar límites en las profundidades del subsuelo donde cambian las velocidades y las direcciones de las ondas. Las mediciones similares de InSight de los temblores marcianos han permitido a los científicos detectar capas distintas dentro del planeta rojo, incluyendo el límite de su núcleo de aproximadamente 3.700 kilómetros de ancho.

"Como sismólogo, probablemente solo tengas una oportunidad en tu vida para descubrir el núcleo de un planeta", señala un miembro del equipo de InSight, Simon Stähler, sismólogo planetario de la universidad de investigación ETH Zurich en Suiza, entrevistado por videollamada.

Marte es el tercer cuerpo celeste al que se le mide su núcleo con datos sísmicos, siguiendo a la Tierra a principios del siglo XX y a la Luna en 2011. Cuando se combina con las primeras mediciones de InSight del manto y de la estructura de la corteza de Marte, el tamaño del núcleo refinará los modelos para cómo se formó y cambió Marte en los últimos 4.500 millones de años, de un mundo posiblemente habitable con agua líquida y un campo magnético planetario al desierto hostil y oxidado que es hoy.

Las misiones y los modelos informáticos anteriores a Marte habían hecho muchas estimaciones sólidas de lo que había debajo de la superficie ocre de Marte, incluida la idea de que probablemente tenía un núcleo líquido. Pero sin datos sísmicos directos, los investigadores no pudieron confirmar qué tan precisos eran sus modelos, o ver si Marte tenía alguna sorpresa esperándolos. Los resultados de InSight proporcionan una comprobación de cómo ha cambiado Marte durante eones. Pero también ofrecen una oportunidad única de probar qué tan bien los científicos pueden saber qué hay en el corazón de un planeta desde lejos.

"Esta es la primera vez que tenemos observaciones desde el interior de otro planeta", señala Sanne Cottaar, sismóloga de la Universidad de Cambridge del Reino Unido que no participó en los tres estudios, entrevistada por videollamada.

Cómo funcionan los martemotos

Obtener los resultados de los datos de InSight representa una gran hazaña analítica. En la Tierra, la sismología se realiza con redes de decenas de miles de sensores. Los científicos de InSight tenían un solo sismómetro, en un solo lugar, con el que observar el interior del planeta rojo. 

Aumentando la dificultad, Marte sigue mortalmente comparado con la Tierra. Los mayores temblores de Marte apenas se registrarían para las personas en la superficie a menos que estuvieran a un par de kilómetros del epicentro de un terremoto. Pero InSight es extremadamente sensible y el silencio sísmico de Marte significa que la nave espacial podría detectar temblores débiles a distancias mayores que un instrumento similar en la Tierra. Aun así, los científicos han tenido que lidiar con muchas fuentes posibles de ruido, incluidos los vientos superficiales, los remolinos de polvo y los "fallos" causados por la estructura crujiente y explosiva de InSight a medida que se calienta y se enfría cada día marciano.

"Con el gran equipo que tenemos, pudimos extraer toda la información que queríamos de los datos que obtuvimos y que todavía estamos obteniendo", afirma Mark Panning, sismólogo del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, coautor de los estudios.

El pan y la mantequilla para los investigadores del martemoto le resultaría familiar a cualquier sismólogo de la Tierra: ondas P y ondas S, dos tipos de ondas sísmicas que se mueven por el interior de un planeta.

Al igual que las ondas sonoras que se mueven en el aire o el agua, las ondas P comprimen las partículas a lo largo de su trayectoria. Las ondas S se mueven más lentamente que las ondas P y, a medida que atraviesan un material, sacuden las partículas de lado a lado, como las cuerdas de una guitarra recién rasgada.

Debido a que se mueven de diferentes maneras, las ondas P y S no atraviesan los mismos tipos de materiales, lo que brinda a los científicos pistas importantes sobre el interior de los planetas. Las ondas P pueden atravesar sólidos, fluidos y gases sin problemas, pero las ondas S solo pueden atravesar sólidos, ya que los sólidos por sí solos resisten el cizallamiento de lado a lado.

Esta diferencia resultó clave para detectar el núcleo de Marte, ya que las ondas P pueden atravesar un manto sólido y entrar en un núcleo líquido, pero las ondas S no. Dependiendo de la orientación de su temblor de lado a lado, algunas ondas S pueden incluso descender hasta el límite del manto-núcleo, reflejarse sin perder energía y rebotar hacia la superficie.

Stähler y sus colegas de InSight estaban buscando precisamente este tipo de reflejos sísmicos. Después de detectar pistas curiosas en los datos de un martemoto de julio de 2019, Stähler y un equipo cada vez mayor de científicos de InSight buscaron martemotos que habían llegado en tres fases distintas: la onda P, seguida de la onda S principal, y una segunda onda S más pequeña unos cientos de segundos después con la orientación correcta para que sea un reflejo.

En total, el equipo descubrió seis martemotos que mostraban este patrón de tres partes. Cuando compararon las señales con 5.000 modelos diferentes del manto de Marte, los investigadores descubrieron que estas ondas deben rebotar en un límite a unos mil seiscientos kilómetros por debajo de la superficie del planeta rojo: la línea divisoria entre el manto sólido de Marte y su núcleo líquido.

Basado en la profundidad del límite entre el núcleo y el manto, el equipo de InSight estima que el núcleo de Marte tiene entre 3.580 y 3.740 kilómetros de ancho, un poco más grande de lo que esperaban los científicos. El tamaño del núcleo también significa que su densidad promedio es ligeramente más baja de lo que se pensaba. Si se mantienen ciertas suposiciones razonables sobre la composición de Marte, el núcleo líquido de hierro y níquel debe contener entre un 10 y un 15 por ciento de azufre en peso, así como también guiones de elementos más ligeros como oxígeno, hidrógeno y carbono.

Los descubrimientos también dejan en claro que el manto de Marte no alcanza las profundidades y presiones necesarias para crear un manto inferior distinto, el tipo de capa geológica que dentro de la Tierra es una región caliente y densa de roca sólida que comienza a unos 660 kilómetros debajo de la superficie de nuestro planeta. Los minerales de alta presión que se encuentran en el manto inferior de la Tierra ayudan a aislar el núcleo de nuestro planeta, por lo que la falta de uno en Marte probablemente signifique que su núcleo tuvo un tiempo para enfriarse.

Dependiendo de qué esté hecho el núcleo, este potencial de enfriamiento rápido puede haber ayudado a que el calor se moviera a través del núcleo de Marte durante la historia temprana del planeta, generando los tipos de corrientes de convección que habrían creado un campo magnético en todo el planeta en su juventud.

Aunque Marte carece hoy de ese campo magnético, la corteza del hemisferio sur está fuertemente magnetizada, lo que implica que el planeta rojo tenía un campo magnético similar a la Tierra hace entre 3.7 mil millones y 4.5 mil millones de años y luego lo perdió. La muerte del campo magnético de Marte se ha relacionado con la pérdida de gran parte de su atmósfera , por lo que precisar más detalles de la desaparición del campo puede ayudar a los científicos a comprender cuándo y por qué Marte se convirtió en el mundo seco y aparentemente estéril que es hoy.

¿De que está hecho realmente Marte?

Los martemotos de InSight no solo revelaron el núcleo del planeta rojo; también dieron indicios de los inframundos menos profundos de Marte, el manto y la corteza. Por primera vez, los científicos pueden ver estas capas del interior de Marte como las tenemos en la Tierra.

En otro estudio también publicado el 22 de julio en Science, un equipo dirigido por el geofísico de ETH Zurich Amir Khan utilizó datos de martemotos para detectar una rotura térmica distinta en el interior del planeta a unos 400 a 600 kilómetros hacia abajo. Por encima de esa profundidad, la corteza y la parte superior del manto conducen el calor juntas como una capa estable llamada litosfera térmica. Más allá de esa profundidad, el manto se comporta más como un fluido viscoso, que convence el calor lentamente como una lámpara de lava.

El modelo también sugiere que la corteza inferior de Marte está mucho más enriquecida con elementos radiactivos que producen calor (de 13 a 21 veces más) que el manto que se encuentra debajo. Juntos, los resultados podrían ayudar a explicar por qué sus volcanes aparecen donde lo hacen a pesar de la falta de tectónica de placas global del planeta.

Completando el corte de Marte, los investigadores también se acercaron a la estructura de la corteza de Marte, en un tercer artículo publicado el 22 de julio en Science. Los resultados del estudio permiten dos interpretaciones diferentes: la corteza tiene aproximadamente 20 kilómetros de espesor, que consta de dos capas, o aproximadamente 39 kilómetros de espesor, que consta de tres capas. Averiguar cuál es la correcta debería ayudar a los científicos a comprender cómo se formó y cambió el planeta con el tiempo.

"Todavía esperamos más datos o análisis diferentes [que] lleguemos al punto en que pueda identificar uno de estos escenarios", señala Brigitte Knapmeyer-Endrun de la Universidad de Colonia de Alemania, quien dirigió el estudio de la estructura de la corteza con JPL's Mark Panning.

Sin embargo, el gran núcleo de Marte podría dificultar mucho la detección de ciertos tipos de terremotos intrigantes. Entre los lugares sísmicamente más prometedores de Marte se encuentra la espectacular región de Tharsis, que alberga el Olympus Mons y otros volcanes inactivos masivos, así como fisuras y fallas geológicamente jóvenes. El núcleo de Marte es lo suficientemente grande como para evitar que las ondas S de Tharsis lleguen a InSight, lo que evita que la nave espacial detecte los martemotos que se produzcan allí.

Quizás haya más sorpresas sísmicas en otras partes de Marte. InSight todavía está recopilando datos, y con la misión extendida hasta fines de 2022, los investigadores esperan ver más temblores y destellos más directos del gran corazón metálico del planeta rojo más allá de lo que pudimos obtener de la órbita.

“Realmente vamos más allá de interpretar el interior del planeta puramente desde el espacio”, señala Stähler. "Realmente tenemos una verdad fundamental ahora".