Marsbeben und Eisbrocken: Meteoriteneinschlag liefert Blick unter die Marsoberfläche

Die NASA-Mission InSight registrierte an Heiligabend 2021 mit seinem Seismometer SEIS die Erschütterungen eines Meteoriteneinschlags auf dem Mars, die so stark waren wie ein Beben der Magnitude 4. Unabhängig davon fotografierte der Mars Reconnaissance Orbiter der NASA einen neuen, 150 Meter großen Krater, der sich genau auf diesen 24. Dezember 2021 datieren ließ. Beide Forschungsteams tauschten sich aus und kamen zu dem Schluss, dass die Quelle der seismischen Aktivität und der Ort des neuen Kraters zusammenpassen. Dies war das erste Mal, dass ein Meteoriteneinschlag auf einem anderen Planeten sowohl fotografisch als auch seismisch registriert wurde.

Erstaunlich waren große Mengen von Wassereis, die durch den Einschlag mit dem offiziellen Namen S1094b aus dem neuen Krater geschleudert wurden. In zwei heute in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Artikeln werden das Ereignis und seine Auswirkungen detailliert beschrieben. Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) sind an den Analysen beteiligt. Zudem erschien parallel ein Artikel in Nature Astronomy zur Tektonik auf dem Mars, welcher die in den letzten Jahren mit InSight beobachteten Marsbeben als Auswirkung früherer vulkanischer Aktivitäten im Gebiet Cerberus Fossae interpretiert.

Der fotografische Nachweis hat den großen Vorteil, dass damit die genaue Richtung und Entfernung zum Epizentrum exakt bekannt ist, was sich mit einem einzelnen Seismometer sonst nur deutlich ungenauer abschätzen lässt. Dadurch kann viel genauer berechnet werden, auf welchem Weg die seismischen Wellen durch den Mars gelaufen sind, und welche Eigenschaften die Gesteine entlang dieses Wegs haben. Die Beobachtung von Meteoriteneinschlägen hilft so, das Innere des Mars noch besser zu verstehen.

Als der Meteorit in der Region Amazonis Planitia einschlug, sprengte er einen Krater mit einem Durchmesser von 150 Metern und einer Tiefe von 21 Metern in den Marsboden. Ausgeworfenes Material färbt die Oberfläche bis in etliche Kilometer Entfernung dunkel und ist vereinzelt noch in 37 Kilometer Entfernung zu sehen. Mit der seismischen Detektion durch InSight und den nachfolgenden Bildern des Mars Reconnaissance Orbiter hatten die Forscherinnen und Forscher das äußerst seltene Glück, die Entstehung eines Kraters dieser Größe zu beobachten. Mars hat insgesamt eine Vielzahl deutlich größerer Krater, die allerdings auch mehrere Millionen oder Milliarden Jahre alt sind.

Eis unter der Oberfläche nahe des Marsäquators

Brandneue Krater bieten Einblicke in die Prozesse der Kraterbildung und legen frische, noch nicht von Wind, Wetter und Sonnenstrahlung modifizierte Materialien unter der Oberfläche frei. In diesem Fall wurden große Eisbrocken, die durch den Einschlag verstreut wurden, von der HiRISE-Farbkamera (High-Resolution Imaging Science Experiment) des Mars Reconnaissance Orbiter der NASA aufgenommen, was das Forschungsteam vermuten lässt, dass der Einschlag eine Eisschicht in 10 bis 20 Metern Tiefe unter der Oberfläche freigelegt hat. Für zukünftige bemannte Marsmissionen ist es besonders interessant, wo auf dem Mars unterirdisches Eis für die menschliche Nutzung zu finden ist: Unterirdisches Wassereis wurde schon mehrmals in den nördlichen Tiefebenen, aber noch nie so nahe am Marsäquator gesichtet, wo der Mars am wärmsten ist.

Zweiter Einschlag in seismischen Daten entdeckt

Nach der Untersuchung des seismischen Signals des Einschlags nahmen sich das Forschungsteam auch ältere Daten noch einmal vor, um nach ähnlichen Seismogrammen zu suchen. Tatsächlich fanden sie, dass das Epizentrum eines Marsbebens vom 18. September 2021 zu einem frischen Krater von mehr als 100 Meter Größe passt. Dieser Einschlag wird ebenfalls in der Studie beschrieben. „Es ist außergewöhnlich einen frischen Krater dieser Größe zu entdecken“, sagt Ingrid Daubar von der Brown University im US-Bundesstaat Providence, die die wissenschaftliche Arbeitsgruppe für Einschläge bei InSight leitet. „Das ist ein aufregender Moment in der geologischen Geschichte des Mars, und wir durften ihn miterleben.“

Oberflächenwellen erlauben Rückschlüsse auf Struktur der Marskruste

Das Beben, das durch den massiven Einschlag im Dezember 2021 ausgelöst wurde, war das erste von der Mission beobachtete Beben mit Oberflächenwellen - einer Art seismischer Welle, die sich entlang der Oberseite der Planetenkruste ausbreitet. In der zweiten der beiden heute in der Zeitschrift Science veröffentlichten Arbeiten wird beschrieben, wie die Wissenschaftler diese Wellen nutzten, um die Struktur der Marskruste zu untersuchen. „Die Analysen der beiden Einschlagsereignisse zeigen, dass sich die Krustenstruktur auf der jeweiligen Strecke zwischen Impakt und der InSight-Plattform von der Krustenstruktur an der Landestelle selbst unterscheiden“, erklärt Dr. Ana-Catalina Plesa vom DLR-Institut für Planetenforschung. „Die im Durchschnitt höhere Ausbreitungsgeschwindigkeiten der seismischen Wellen deuten auf eine andere Zusammensetzung der Kruste in diesen Bereichen hin. Eine niedrigere Porosität der Kruste dort könnte ebenfalls eine Ursache sein. Beides wiederum würde auf eine höhere Krustendichte hinweisen und auf lokale Variationen in der Dichte der Mars-Kruste, wie wir sie bisher nicht kannten.“ Vorläufige Analysen deuten darauf hin, dass die Krustenstruktur der nördlichen und südlichen Mars-Hemisphäre in den Tiefen von 5 bis 30 Kilometern ähnlich sein könnten. „Weitere Analysen und der direkte Vergleich von seismischen Wellen beider Einschlagsereignisse werden uns wichtige Hinweise über die Bildung und Ausprägung der ‚Mars-Dichotomie‘ geben, die die Teilung in nördliche Tiefländer und südliche Hochländer auf dem Mars beschreibt“, so Plesa weiter, die an der Studie beteiligt ist.

Viele Marsbeben liefern Hinweise zur Tektonik des Mars

In einer weiteren aktuellen Veröffentlichung im Fachmagazin Nature Astronomy werden die in den vergangenen drei Jahren registrierten Marsbeben in einen geologischen Kontext gesetzt: Die meisten dieser Beben, für die ein Epizentrum berechnet werden konnte, ereigneten sich im Gebiet Cerberus Fossae etwa 1500 Kilometer östlich der Position des InSight-Landers. Dabei handelt es sich um ein Gebiet von relativ jungem Vulkanismus, dessen letzte Ausbrüche vor etwa 50.000 bis 200.000 Jahren stattfanden. „Ein auffälliges Merkmal von Cerberus Fossae sind hunderte Kilometer lange, aber sehr schmale und tiefe Gräben, die sich wie Risse in einem aufgehenden Teig durch die Landschaft ziehen“, erklärt der Seismologe Dr. Martin Knapmeyer vom DLR-Institut für Planetenforschung, der an dieser Studie beteiligt ist. „Solche Gräben können entstehen, wenn sich vulkanische ‚Gänge‘ bilden, wenn also Magma aus größerer Tiefe in Risse der oberen Kruste eindringt, und dabei das ganze Gebiet aufwölbt und anhebt. Im Laufe der Zeit erstarrt das Magma und zieht sich dabei etwas zusammen. Einige der registrierten Marsbeben fanden an Orten statt, die sich in der Nähe der zuletzt ausgeworfenen Lava befinden und einige eben auch unter den sichtbaren Gräben. Dabei zeigen sich Seismogramme, die gut zu abkühlenden Ganggesteinen passen“, so Knapmeyer weiter.

Eine andere „Familie“ von Marsbeben dagegen zeigt eine ungewöhnlich langsame Bruchausbreitung, wie sie aus vulkanischen Gebieten auf der Erde, wie etwa auch der Eifel, bekannt ist. Diese langsame Bruchausbreitung steht im Zusammenhang mit der Erwärmung des Gesteins durch das eingedrungene Magma – je wärmer ein Gestein, desto langsamer die Ausbreitung seismischer Wellen. „Damit zeigen die Daten von SEIS, dass Cerberus Fossae auch im Untergrund von der Erde bekannten vulkanischen Gebieten ähnelt, und der Vulkanismus dort vielleicht wie in der Eifel noch nicht ganz erloschen ist, sondern gegenwärtig nur ruht“, unterstreicht Knapmeyer.

InSight liefert den Blick ins Marsinnere

Die Marssonde InSight wurde zum Mars geschickt, um das tiefe Innere des Planeten - seine Kruste, seinen Mantel und seinen Kern - zu untersuchen, was den Wissenschaftlern Aufschluss über die Entstehung aller Gesteinsplaneten, einschließlich der Erde und des Mondes, geben kann. Seismische Wellen sind der Schlüssel zu diesem verbesserten Verständnis. Seit der Landung im November 2018 hat das SEIS-Experiment (Seismic Experiment for Interior Structrue) auf InSight 1.318 Marsbeben aufgezeichnet, darunter mehrere, die durch viel kleinere Meteoriteneinschläge verursacht wurden. Die meisten Beben haben allerdings tektonische Ursachen, also Verschiebungen von Gesteinspaketen wie bei Erdbeben, verursacht.

Wie oft es zu großen Meteoriteneinschlägen kommt ist nicht nur wegen einer möglichen Gefährdung von zukünftigen Astronauten von Interesse. Die Anzahl und Größe von Kratern auf anderen Planeten wird herangezogen, um das Alter ihrer Oberflächen zu bestimmen. In diese statistische Auswertung geht die Einschlagshäufigkeit ein, welche umso genauer ermittelt werden kann, je mehr Einschläge unmittelbar nach dem Ereignis entdeckt werden können. Bei dem kürzlich erfolgten Experiment der DART-Mission schließlich ging es darum, Einschläge wie jenen von S1094b auf der Erde zu verhindern.

Die Mission InSight wird vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, im Auftrag des Wissenschaftsdirektorats der NASA durchgeführt. InSight ist eine Mission des NASA-Discovery-Programms. Die Raumfahragentur im DLR hat mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie einen Beitrag des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung zum französischen Hauptinstrument SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) gefördert. Forschende des DLR sind an der Auswertung der SEIS-Daten beteiligt. Darüber hinaus hat das DLR das Experiment HP³ (Heat Flow and Physical Properties Package) mit dem „Marsmaulwurf“ beigesteuert.

Ausführliche Informationen zur Mission InSight finden Sie auf der DLR-Sonderseite zur Mission.

Das Science-Paper zu den ausgelösten Oberflächenwellen und der Struktur der Marskruste aufgrund von SEIS-Messungen finden Sie hier.

Das Science-Paper zu den ausgelösten Oberflächenwellen und der Struktur der Marskruste aufgrund von SEIS-Messungen finden Sie hier.