Op 5 mei, de NASA "InSight"-lander vertrok op zijn reis naar Mars. Dit is de eerste missie die gewijd is aan het onderzoeken van de interne structuur van de rode planeet en om een ​​aantal belangrijke vragen te beantwoorden, zoals:waarom hebben de aarde en Mars zich zo verschillend ontwikkeld, hoewel hun oorspronkelijke structuur en chemische samenstelling zo op elkaar lijken? Hoe groot, dik en dicht zijn de kern, mantel en korst? Wat is hun structuur? De wetenschappers hopen fundamentele inzichten te krijgen in de algemene vorming van rotsplaneten zoals Mars, Aarde, Mercurius en Venus.

Seismometer voor extreme omstandigheden

De lander is uitgerust met geofysische instrumenten, in het bijzonder een speciale seismometer; na de landing eind november 2018, dit apparaat zal seismische trillingen opnemen en de gegevens terugsturen naar de aarde.

Onderzoekers van ETH Zürich en de Zwitserse seismologische dienst, die betrokken waren bij de ontwikkeling van de elektronica van de seismometer (zie ETH News van 5 mei 2018), zal als een van de eersten de gegevens analyseren en interpreteren.

Wetenschappers van het Instituut voor Geofysica zijn al begonnen met het voorbereiden van deze analyses. Op de "Piz Daint"-supercomputer in het Swiss National Supercomputing Center (CSCS), de onderzoekers berekenden de voortplanting van seismische golven voor ongeveer 30 verschillende Mars-modellen.

Voor hun modelcatalogus, de onderzoekers consolideerden alle beschikbare kennis over de planeet en gebruikten deze om synthetische seismische gegevens te berekenen zoals die van Mars zouden kunnen worden ontvangen. De wetenschappers gebruikten deze gegevens vervolgens om een ​​blinde test uit te voeren, waarin ze de gegevens publiceerden en experts van over de hele wereld uitnodigden om deze te interpreteren om kennis en ervaring op dit gebied uit te wisselen.

Universele code voor het simuleren van golven

Om de invloed van de 3D-structuur van de Marskorst nader te onderzoeken, Martijn van Driel, Senior onderzoeker bij ETH Zürich, gesimuleerde seismische golven op Mars met Salvus, een code die hij samen met zijn collega's Michael Afanasiev bij ETH ontwikkelde, Lion Krischer en Christian Böhm. Deze code is flexibel en universeel inzetbaar voor vragen over golfvoortplanting in verschillende media op verschillende schalen.

De Mars-simulaties draaien op "Piz Daint" in realtime op 7, 200 rekenkernen - wat betekent dat de berekeningen ongeveer net zo lang duren als de seismische golven nodig hebben om door Mars te reizen. Afhankelijk van de interne structuur van de planeet, de golven reizen met verschillende snelheden en nemen verschillende routes van de bron naar de seismometer. De tijd die de golven nodig hebben om door het binnenste van Mars te reizen, zal de wetenschappers helpen de structuur en de rotseigenschappen van de planeet beter te begrijpen.

Met ongeveer 10 miljard vrijheidsgraden en 300, 000 tijdstappen, de wetenschappers zijn erin geslaagd een aanzienlijk groot probleem op te lossen. "Zonder een supercomputer zoals "Piz Daint", het simuleren van een enkel model op een laptop zou meer dan twee jaar hebben geduurd - dus ongeveer vier keer zo lang als de reis van de lander naar Mars, ’ zegt Bohm.

Visualisatie bij de lancering van de missie

De onderzoekers visualiseerden een van de numerieke simulaties in een video. Dit werd getoond op de NASA-persconferentie voor de lancering van de Mars-missieraket. De visualisatie laat zien hoe de golven langs het oppervlak van Mars reizen, in een baan rond de planeet en drie keer langs de lander. Van Driel legt uit dat het essentieel is om de golven op elk van de drie passen te meten, omdat dit de wetenschappers in staat zal stellen informatie over de planeet te verzamelen, identificeer de timing en locatie van de Mars-beving, en om de geschatte structuur te berekenen, allemaal met slechts één seismisch station. Echter, de amplitude van de derde golf is een factor tien kleiner; de seismometer moet dus gevoelig en geavanceerd genoeg zijn om dit te meten en de beving moet een magnitude van minimaal 4,5 hebben.

Op aarde, aardbevingen van deze omvang worden voornamelijk veroorzaakt door plaattektonische processen waarbij continentale of oceanische platen tegen elkaar botsen of langs elkaar schuiven. Wetenschappers geloven momenteel dat platentektoniek niet actief is op Mars. Echter, in de loop van de twee jaar verwachten ze dat meteorietinslagen of samentrekkingen veroorzaakt door de afkoeling van Mars seismische gebeurtenissen zullen veroorzaken die sterk genoeg zijn om door de seismometer te worden waargenomen.

Eerdere simulaties maken gegevensevaluatie mogelijk

Aangezien seismische golven op Mars nog nooit zijn geregistreerd met zo'n gevoelige seismometer, numerieke simulaties zijn de enige manier om je voor te bereiden op de gegevensevaluatie van de NASA InSight-missie.

"We gebruiken de berekende modellen om te controleren hoe bepaalde structuren, zoals de korstdikte, de metingen beïnvloeden, ", zegt Böhm. De modellen helpen de onderzoekers dus om hun methoden te verifiëren en seismogrammen op Mars beter te begrijpen. Hoewel de seismische gegevens die door de modellen worden gegenereerd op het eerste gezicht lijken op terrestrische gegevens, de subtiele verschillen zijn belangrijk. De wetenschappers moeten zich dus vertrouwd maken met deze nieuwe gegevens en ze leren interpreteren.

Om eindelijk de structuur van Mars te begrijpen, de ETH-onderzoekers zullen de werkelijke metingen vergelijken met de gesimuleerde gegevens. Voor deze, ze zullen putten uit de Mars-modelcatalogus om te zien of en hoe de meting verandert, rekening houdend met de modellen, wat de structuren zijn en wat alle simulaties gemeen hebben.