Att avlyssna rysningarna och stönen som ekar djupt inne i främmande världar som Mars och månen avslöjar vad som ligger långt under deras ytor och kan lära oss mer om hur vår egen planet bildades.

På jorden, vi kan känna och se de ofta skrämmande resultaten av de tektoniska plattorna som skiftar under våra fötter. När de maler ihop, de genererar jordbävningar som producerar seismiska vågor som ekar genom berglager, magma och metall djupt inne i vår planet.

Forskare kan övervaka dessa seismiska vågor med hjälp av en mängd olika instrument som fångar upp även svaga vibrationer som passerar genom jordskorpan och kärnan. Att studera hur beteendet hos dessa vågor förändras när de passerar genom vår planets inre, avslöjar detaljer om vad som finns djupt inne i jorden, långt utom vår syn.

Men jorden är inte den enda platsen i vårt solsystem som upplever seismisk aktivitet. Både Mars och månen upplever också skalv – fast av andra anledningar än här på jorden. Seismometrar utplacerade på månen och – på senare tid – på Mars, tillåter forskare att undersöka det inre av båda dessa avlägsna världar.

Resultaten visar att medan jorden är på ytan, Mars och månen är inte lika, under den har de mer gemensamt än man kan misstänka, men med några slående skillnader.

Månbävningar

Månbävningar – som de kallas på månen – produceras som ett resultat av att meteoroider träffar ytan eller av jordens gravitationskraft som klämmer ihop och sträcker ut månens inre, på ett liknande sätt som månens tidvattendrag på jordens hav. När månens inre svalnar, det får också månen att krympa och skrumpna som ett russin, orsakar andra skalv när skorpan bucklas och går sönder. Värme från solen kan också producera termiska skalv på grund av temperaturskillnaden i månskorpan när månen kommer ut från sin natt.

Fem seismometrar har satts ut på månen, lämnad av astronauter under Apollo-uppdragen mellan 1969 och 1972. Den första månseismometern sattes upp av Neil Armstrong och Buzz Aldrin på Apollo 11-uppdraget. Efter att ha installerat instrumentet, Aldrin stämplade på månens yta för att kontrollera att den fungerade – med instrumentet som plockade upp vågorna som produceras av hans fot.

De andra fyra seismometrarna lämnades av efterföljande uppdrag och de drevs fram till 1977, fem år efter den sista Apollo-astronauten satte sin fot på månens yta. Men cirka 43 år senare, deras data granskas fortfarande av forskare.

SeisMo är ett projekt som nyligen analyserade data på nytt. "Vi försökte tillämpa en teknik som används ganska vanligt på jorden, " sa Dr. Ceri Nunn, från NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Kalifornien, USA, huvudforskaren i projektet. "Om du korskorrelerar bruset mellan stationer, du kan faktiskt se vågor färdas mellan dem. Den första stationen är en källa, och den andra stationen är en mottagare."

Tyvärr, Dr. Nunn kunde inte fånga liknande mönster i data från månen. Men det misslyckandet avslöjade något annat om månen - nämligen att den inte verkar ha ytvågor, som fastnar i de övre lagren av sten och studsar runt. "Den vågen verkar inte existera på månen, " sa Dr Nunn.

Detta tyder på att det övre lagret av månens yta sannolikt är mycket sprucket, och upp till 100 kilometer tjock, båda stör rörelsen av seismiska vågor över ytan. "Detta mycket spruckna skikt förändrar hur seismiska vågor beter sig, " sa Dr Nunn.

För närvarande finns det inga aktiva seismometrar på månen. Men det finns förslag om att skicka nya seismometrar tillbaka till månens yta i framtida uppdrag.

"Vi är intresserade av att använda mycket mindre seismometrar, möjligen levereras av penetratorer, som nästan är som missilformade föremål, " sade Dr. Nunn. "Du sätter en mycket liten seismometer i ryggen och skickar dem sedan antingen från en landare som faller ned eller direkt från jorden."

Frågor

Att sätta nya seismometrar på månen kan ge svar på flera olösta frågor, som till exempel varför det finns stora strukturella skillnader mellan månens närsida som pekar mot oss och bortre sidan som pekar bort.

"(Det kan vara) relaterat till den interna strukturen, " sade Dr. Nunn. "Det finns en teori (månen) träffades igen efter att den bildades av en annan måne, och det är därför du får den här konstiga asymmetrin. Att utforska den interna strukturen skulle vara intressant. Och utöver det skulle vi vilja begränsa hur tjock kärnan är."

Att förstå detta kan hjälpa till att bevisa teorier om hur dessa tidiga, katastrofala effekter runt den tid då jorden och månen bildades hjälpte till att bestämma de strukturer de har idag.

På Mars, dock, saker är lite annorlunda. Marsquakes produceras inte av tidvatteninteraktioner, men genom att planeten svalnar och drar ihop sig, ger djupa påfrestningar. Meteoroidspåverkan tros också spela en roll, precis som på månen, skickar seismiska vågor runt planeten.

Förekomsten av marsbävningar hade aldrig bevisats förrän forskare landade en seismometer på den röda planeten 2018 som en del av NASA:s InSight-uppdrag. InSight Mars-landaren upptäckte den första definitiva marsbävningen någonsin den 6 april 2019 med hjälp av sitt Seismic Experiment for Interior Structure (SEIS)-instrument, som försiktigt hade placerats på ytan av landarens robotarm kort efter att den landade den 26 november 2018. Sedan dess har också cirka 500 efterföljande händelser upptäckts.

Vulkanisk aktivitet

Medan de flesta marsbävningarna har varit relativt små, några av dessa har varit tillräckligt stora – nästan motsvarande en jordbävning på magnituden 4 – för att kunna spåras tillbaka till källan, ett område känt som Cerberus Fossae, ca 1, 600 kilometer öster om InSight. Man tror att skalven där orsakas av uppbyggnad av stress när sprickor i Mars-skorpan sträcks ut, möjligen genom vulkanisk aktivitet.

Medan de större skalven verkar härröra från manteln under Marsskorpan, de mindre marsbävningarna tros börja i själva skorpan. Hastigheten för seismiska vågor i den övre Mars skorpan, dock, under de första åtta till 11 kilometerna, verkar vara cirka 50 % lägre än i liknande stenar på jorden.

Forskare som ingår i GeoInSight-projektet har studerat geologin på ytan runt InSights landningsplats för att förstå mer om vad som kan vara på gång. De använde bilder och data från NASA:s Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) för att studera Elysium Planitia-området innan InSight kom.

Bilderna avslöjade att det finns lavaflöden 200 till 300 meter under landaren, enligt Dr Lu Pan från Köpenhamns universitet, Danmark, projektkoordinatorn på GeoInsight. "Men under dessa lavaflöden, vi har sedimentära bergarter och lerbärande stenar några kilometer på djupet, " Hon sa.

Denna skiktning är en förklaring till den lägre hastigheten för de seismiska vågorna, säger Dr Pan, eftersom sedimentära bergarter har en hög porositet som kan sakta ner vågorna. En annan möjlighet är att den övre skorpan har blivit kraftigt skadad och sprucken av meteoritnedslag och andra processer, producerar mer motstånd för vågorna.

Fynden har också implikationer för några av InSights andra resultat, noterade Dr Pan. "Till exempel, en av de spännande upptäckterna av InSight var magnetfältet, (vilket var) tio gånger mer än vi observerade från omloppsbana, " sa hon. "Efter att ha etablerat stratigrafin (skiktningen av stenarna), vi skulle kunna hjälpa till att sätta några begränsningar för var magnetfältet kom ifrån - stratigrafi från före 3,9 miljarder år (sedan)."

Nynna

Medan InSight kommer att fortsätta att undersöka Mars inre med sitt SEIS-instrument, forskare är angelägna om att också reda ut mysteriet med en märklig läsning som den har plockat upp.

"Det här brummandet vid en specifik frekvens som inträffar när det finns en annan händelse, " sa Dr Pan. "Vi förstår inte riktigt vad det är. Ibland när det är ett skalv, vi ser att brummandet kommer efteråt. Vi har egentligen ingen bra analog på jorden."

När InSight och dess instrument lyssnar på den röda planetens inre funktioner, det kan hjälpa till att avslöja källan till detta hum och avslöja vad som verkligen ligger djupt inne i denna främmande värld.