Il 5 maggio, il lander "InSight" della NASA è partito per il suo viaggio verso Marte. Questa è la prima missione dedicata a indagare sulla struttura interna del pianeta rosso ea rispondere ad alcune domande chiave come:Perché la Terra e Marte si sono sviluppati in modo così diverso sebbene la loro struttura e composizione chimica originali sembrino così simili? Quanto largo, denso e denso sono il nucleo, mantello e crosta? Qual è la loro struttura? Gli scienziati sperano di ottenere informazioni fondamentali sulla formazione generale di pianeti rocciosi come Marte, Terra, Mercurio e Venere.

Sismometro per condizioni estreme

Il lander è dotato di strumenti geofisici, in particolare un sismometro speciale; dopo lo sbarco a fine novembre 2018, questo dispositivo registrerà le vibrazioni sismiche e trasferirà i dati sulla Terra.

Ricercatori del Politecnico federale di Zurigo e del Servizio sismico svizzero, che sono stati coinvolti nello sviluppo dell'elettronica del sismometro (vedi ETH News del 5 maggio 2018), sarà tra i primi ad analizzare e interpretare i dati.

Scienziati dell'Istituto di Geofisica hanno già iniziato a preparare queste analisi. Sul supercomputer "Piz Daint" presso il Centro nazionale di calcolo svizzero (CSCS), i ricercatori hanno calcolato la propagazione delle onde sismiche per circa 30 diversi modelli di Marte.

Per il loro catalogo di modelli, i ricercatori hanno consolidato tutte le conoscenze disponibili sul pianeta e le hanno utilizzate per calcolare i dati sismici sintetici che potrebbero essere ricevuti da Marte. Gli scienziati hanno quindi utilizzato questi dati per condurre un test alla cieca, in cui hanno pubblicato i dati e invitato esperti di tutto il mondo a interpretarli per scambiare conoscenze ed esperienze in questo settore.

Codice universale per la simulazione delle onde

Per indagare più in dettaglio l'influenza della struttura 3D della crosta di Marte, Martin van Driel, Ricercatore senior presso l'ETH di Zurigo, simulazioni di onde sismiche su Marte con Salvus, un codice che ha sviluppato all'ETH insieme ai suoi colleghi Michael Afanasiev, Lion Krischer e Christian Böhm. Questo codice è flessibile e può essere utilizzato universalmente per domande riguardanti la propagazione delle onde in diversi media su varie scale.

Le simulazioni di Marte corrono sul "Piz Daint" in tempo reale il 7, 200 core di calcolo, il che significa che i calcoli impiegano circa il tempo necessario alle onde sismiche per viaggiare attraverso Marte. A seconda della struttura interna del pianeta, le onde viaggiano a velocità diverse e prendono percorsi diversi dalla sorgente al sismometro. Il tempo necessario alle onde per attraversare l'interno di Marte aiuterà gli scienziati a comprendere meglio la struttura del pianeta e le proprietà delle rocce.

Con circa 10 miliardi di gradi di libertà e 300, 000 passi temporali, gli scienziati sono riusciti a risolvere un problema considerevolmente grande. "Senza un supercomputer come "Piz Daint", simulare un singolo modello su un laptop avrebbe richiesto più di due anni, quindi circa quattro volte il viaggio del lander su Marte, "dice Böhm.

Visualizzazione al lancio della missione

I ricercatori hanno visualizzato una delle simulazioni numeriche in un video. Questo è stato mostrato alla conferenza stampa della NASA per il lancio del razzo della missione su Marte. La visualizzazione mostra come le onde viaggiano lungo la superficie di Marte, orbitando intorno al pianeta e passando tre volte il lander. Van Driel spiega che è essenziale misurare le onde su ciascuno dei tre passaggi, in quanto ciò consentirà agli scienziati di raccogliere informazioni sul pianeta, identificare il momento e il luogo del terremoto di Marte, e per calcolare la sua struttura approssimativa, il tutto con una sola stazione sismica. Però, l'ampiezza della terza onda è minore di un fattore dieci; il sismometro deve quindi essere sufficientemente sensibile e sofisticato per misurarlo e il sisma deve avere una magnitudo di almeno 4,5.

Sulla terra, terremoti di questa magnitudo sono principalmente generati da processi tettonici a placche in cui le placche continentali o oceaniche si scontrano o scivolano l'una sull'altra. Gli scienziati attualmente ritengono che la tettonica a zolle non sia attiva su Marte. Però, nel corso dei due anni si aspettano che impatti o contrazioni di meteoriti causati dal raffreddamento di Marte producano eventi sismici abbastanza forti da essere osservati dal sismometro.

Le simulazioni precedenti consentono la valutazione dei dati

Poiché le onde sismiche su Marte non sono mai state registrate con un sismometro così sensibile, le simulazioni numeriche sono l'unico modo per prepararsi alla valutazione dei dati della missione NASA InSight.

"Stiamo utilizzando i modelli calcolati per verificare come determinate strutture, come lo spessore crostale, influenzare le misurazioni, " afferma Böhm. I modelli aiutano così i ricercatori a verificare i loro metodi e a comprendere meglio i sismogrammi su Marte. Sebbene i dati sismici generati dai modelli sembrino a prima vista simili ai dati terrestri, le sottili differenze sono importanti. Gli scienziati devono quindi familiarizzare con questi nuovi dati e imparare a interpretarli.

Per comprendere finalmente la struttura marziana, i ricercatori dell'ETH confronteranno le misurazioni effettive con i dati simulati. Per questo, attingeranno al catalogo del modello di Marte per vedere se e come cambia la misurazione, tenendo conto dei modelli, quali sono le strutture e cosa hanno in comune tutte le simulazioni.