Como um módulo de pouso da NASA decodificou segredos abaixo da superfície de Marte

A vida da sonda Mars InSight chegou ao fim no ano passado , quando os seus painéis solares ficaram cobertos de poeira e o seu fornecimento de energia diminuiu lentamente. Após quatro anos de pesquisa e coleta de dados, a NASA declarou oficialmente o fim da missão em dezembro de 2022.

No entanto, o Insight deixa um legado incrível, tendo fornecido a melhor visão de sempre do interior de Marte e sendo a primeira vez que um sismógrafo foi usado noutro planeta. Para saber como um único pequeno módulo de pouso foi capaz de observar um planeta inteiro, conversamos com dois importantes cientistas da equipe InSight, Catherine Johnson, da Universidade da Colúmbia Britânica, e Mark Panning, do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA.

Por que estudar o interior de Marte?

Aprender sobre o interior de um planeta como Marte não é apenas uma curiosidade abstrata. Na verdade, para compreender tópicos desde a atmosfera de um planeta até à sua história, precisamos de compreender o seu interior. “Se você quiser entender como Marte evoluiu – por que no passado ele tinha uma atmosfera diferente da de hoje? Por que houve diferentes quantidades de vulcanismo no passado e mais geologicamente recentemente? – você tem que entender a estrutura interna”, disse Johnson.

Mas já é bastante difícil analisar amostras da superfície de Marte usando rovers – como é possível saber como é o interior de um planeta localizado a centenas de milhões de quilómetros de distância? Felizmente, temos uma ideia de como fazer isso porque temos prática no estudo da Terra. Aprendemos sobre a estrutura interior da Terra observando como as ondas sísmicas viajam através do planeta, e podemos fazer o mesmo em Marte.

Essa foi a justificativa para incluir um instrumento sismógrafo no módulo de pouso InSight, que foi o primeiro sismômetro já pousado em outro planeta. E seus resultados foram, se me permitem o trocadilho, fora deste mundo.

Abalados por terremotos

A Terra tem placas tectônicas que se deslocam e se movem ao longo de milhões de anos, causando terremotos quando se esfregam. Marte não tem placas tectônicas hoje, mas é abalado por terremotos semelhantes, chamados marsquakes. Isso significa que o instrumento certo pode estudar esses terremotos e a forma como eles refletem no interior do planeta para aprender mais sobre sua estrutura.

Para detectar pequenos tremores na superfície, você não quer um veículo espacial que se mova. Em vez disso, você deseja algo que permaneça exatamente no mesmo lugar por meses ou anos, e é por isso que o InSight é um módulo de pouso estacionário. Também está localizado numa região muito tranquila.

Quando se trata de escolher um local de pouso para medições sísmicas, “você basicamente quer um lugar que seja o mais chato possível”, disse Johnson. “e o mais silencioso possível, porque você está fazendo essas medições incrivelmente sensíveis.”

Para levar em conta as diferenças ambientais no dia a dia, o InSight também mede fatores como temperatura, pressão e velocidade do vento usando sensores meteorológicos, para que esses fatores possam ser subtraídos dos dados sísmicos. Como bônus, isso significa que o InSight também é uma pequena estação meteorológica marciana e forneceu anos de dados sobre o clima na região de Elysium Planitia, onde está localizado.

Como medir um martemoto

Os sismógrafos são um equipamento bastante básico e, dada a experiência que temos em usá-los na Terra, ajustá-los para Marte é conceitualmente simples. Os projetistas precisaram se ajustar aos diferentes níveis de gravidade, e o instrumento precisava ser extremamente sensível para captar pequenos tremores. Mas essa foi a parte fácil.

A parte difícil era como conseguir usar apenas um deles. Quando você estava na escola, você deve ter aprendido que medir um terremoto requer três estações para que você possa triangular sua origem. Mas só haveria um módulo de pouso em Marte, e ele teria que coletar todos os dados necessários, por conta própria.

“Existem maneiras de localizar terremotos com uma única estação”, disse Panning, mas normalmente não é feito desta forma. Portanto, descobrir quão eficaz seria esta abordagem em Marte foi uma grande parte da aceitação da missão. “Passamos muito tempo conversando sobre como poderíamos localizar eventos com apenas uma estação.”

Não foi fácil convencer as pessoas de que o InSight seria capaz de detectar informações úteis por si só, especialmente considerando que um sismógrafo nunca havia sido colocado em outro planeta. Mas desde o pouso em Marte em 2018, foi capaz de registrar centenas de eventos sísmicos. “A história nos confirmou”, nesse aspecto, disse Panning. “Conseguimos localizar muitos terremotos.”

Compreendendo as ondas sísmicas

Para entender como o InSight funciona, você precisa entender as ondas sísmicas. Existem dois tipos de ondas sísmicas, chamadas P e S. À medida que as ondas passam pelo planeta, elas podem se mover de maneiras diferentes: Com as ondas P, o material se move para frente e para trás na mesma direção em que a onda se move. Com as ondas S, o material se move de um lado para o outro em comparação com a direção da onda.

Pense em um furtivo. Você pode empurrar ondas ao longo do comprimento da mola, o que seria equivalente a uma onda P, ou pode balançar a mola de um lado para o outro, o que seria equivalente a uma onda S.

O InSight poderia detectar esses dois tipos de ondas e usá-los para detectar a origem de um terremoto. Para descobrir a que distância se originou um terremoto, você pode observar o momento em que as ondas sísmicas chegaram ao módulo de pouso, já que os dois tipos de ondas viajam em velocidades diferentes. A separação no tempo entre a chegada das ondas P e das ondas S fornece a distância.

Descobrir a localização da fonte é um pouco mais complicado. O processo utiliza uma propriedade chamada polarização das ondas sísmicas, que se refere à direção do movimento dentro da onda. “Portanto, se uma onda P vem do leste, por exemplo, os movimentos de suas partículas se moverão na direção leste-oeste. Eles não irão para o norte-sul”, explicou Panning.

Você pode usar essa polarização para descobrir a direção de onde vem uma onda. “Portanto, se soubermos a que distância o terremoto está do momento do P e do S, e soubermos em que direção ele veio da polarização das ondas, isso nos dará uma localização”, disse Panning.

Olhando para o interior

Depois de localizar a origem de um terremoto, você poderá usar essas informações para aprender sobre o interior do planeta. Sabemos que a estrutura interior de Marte é composta por camadas, constituídas por um núcleo fundido, um manto e uma crosta. Mas antes do InSight, não tínhamos uma boa compreensão da espessura de cada camada.

Por mais abstrato que possa parecer, compreender o interior profundo do planeta é vital para compreender todos os tipos de questões, desde a história do planeta até ao seu estado atual. “Como o planeta esfriou e o que aconteceu com ele, poderia ter tido um campo magnético no passado, poderia ter um hoje – esses tipos de questões dependem criticamente do interior profundo”, disse Johnson.

Portanto, o InSight coletou dados de marsquakes para medir a profundidade das camadas. Como cada camada possui propriedades materiais diferentes, cada uma interage com ondas sísmicas em ondas diferentes. E é isso que permite aos pesquisadores descobrir a espessura e as propriedades de cada camada.

Para estudar a crosta, você usa uma técnica chamada funções de receptor. Quando uma onda P atinge um limite, como a borda da crosta, parte dela será convertida em uma onda S. Então você pode ver essa energia da onda S convertida chegando um pouco depois da onda P, e isso pode dizer a espessura da crosta.

Para estudar o núcleo, que está fundido, procura-se a energia que reflete na fronteira entre o núcleo e o manto. Um grande terremoto pode causar uma onda S que atinge esse limite, reflete e retorna ao receptor. Você pode procurar ondas de entrada que tenham a polarização correta para serem identificáveis ​​como esse tipo específico de onda – chamada onda ScS – e isso permite calcular o raio do núcleo.

Para estudar o manto, os pesquisadores queriam saber a rapidez com que as ondas passam por essa camada, o que lhes permite saber sobre a temperatura do manto. Para isso, você procura ondas que ricochetearam na superfície do planeta, chamadas ondas PP. Você pode ver que essas reflexões chegam ao seu receptor depois das ondas P originais, o que indica a rapidez com que as ondas estão viajando.

Olhando para o futuro

Foi assim que a InSight conseguiu reunir as informações mais precisas sobre o interior marciano, encontrando diferentes subcamadas dentro da crosta e identificando o tamanho do núcleo . Este é um grande passo na compreensão do planeta e foi alcançado em apenas alguns anos de operações do InSight. Este é o legado que o InSight deixará para a ciência de Marte.

“Cada missão resulta num grande avanço na nossa compreensão – neste caso, é um grande salto na nossa compreensão do interior de Marte e do ambiente da superfície da sonda”, disse Johnson.

A maior compreensão do interior de Marte que o InSight forneceu apoiará missões futuras, desde a missão planejada de Retorno de Amostras de Marte até planos de longo prazo para os astronautas eventualmente visitarem pessoalmente o planeta vermelho. E os resultados da sonda ainda estão a ser usados ​​para fazer descobertas, como a recente descoberta de que Marte gira mais rapidamente a cada ano .

Assim, embora a missão InSight tenha chegado ao fim, Johnson e a sua equipa estão optimistas sobre o que a missão alcançou e o que o futuro reserva para a ciência de Marte.

“Qualquer missão é uma jornada incrível”, disse Johnson. “É sempre um momento triste quando algo chega ao fim. Mas você também passa muito tempo pensando em como a missão possibilitou a próxima etapa das investigações.”