Der Mars ist ein gefriergetrockneter Wüstenplanet, der vor Äonen einst viel wärmer und feuchter war. Wohin ist all sein Wasser verschwunden? Wie lange war er bewohnbar? Und gab es dort jemals Leben? Doch das offensichtlichste Rätsel des Roten Planeten – aus der Umlaufbahn deutlich sichtbar – ist der krasse Unterschied zwischen seinen beiden Hemisphären. Die Nordhalbkugel des Mars ist eine glatte, tief liegende Ebene, während die Südhalbkugel mehrere Kilometer höher liegt und zerklüftet sowie dicht mit Kratern übersät ist. »Die beste Analogie zur Erde wäre der Unterschied zwischen Kontinenten und dem Meeresboden, wenn es keine Ozeane gäbe«, sagt Alexander Berne, Planetenforscher am Lunar and Planetary Laboratory der University of Arizona. In einer neuen Studie in der Fachzeitschrift »Nature« argumentieren Berne und seine Kollegen, dass das zweigeteilte Erscheinungsbild des Planeten mehr als nur oberflächlich ist und sich bis in seinen Kern erstreckt.

Diese als »marsianische Krustendichotomie« bezeichnete Grenze zwischen den Hemisphären ist das größte einzelne Merkmal des Mars, wobei sich die Kruste auf beiden Seiten in ihrer durchschnittlichen Dicke um etwa 25 Kilometer unterscheidet. Seit mehr als einem halben Jahrhundert debattieren Wissenschaftler über ihren Ursprung. Berne und seine Kollegen haben die Innentemperatur des Mars herangezogen, um Klarheit zu schaffen – mit faszinierenden Ergebnissen: Unter dem südlichen Hochland scheint der Mantel 200 bis 400 Grad Celsius heißer zu sein als unter den nördlichen Ebenen.

Fast alles, was über das tiefe Innere des Mars bekannt ist, stammt von seismischen Wellen, die von einem Instrument auf dem NASA-Lander »InSight« aufgezeichnet wurden, der von 2018 bis 2022 in den nördlichen Tieflandgebieten im Einsatz war. Eine einzige Messstation an einem Ort kann jedoch nicht zwischen Norden und Süden unterscheiden, sodass die meisten nachfolgenden Modelle des Marsinneren davon ausgingen, der Planet sei einheitlich, mit denselben Gesteinen bei derselben Temperatur in jeder Tiefe, rundum. Bernes Team überwand diese Einschränkung, indem es interne Merkmale anhand winziger Abweichungen in der Umlaufbahn des Planeten abschätzte.

Der Mars bewegt sich auf einer exzentrischen Bahn um die Sonne, und seine Achse ist geneigt, sodass sich die Anziehungskraft der Sonne auf den Planeten im Lauf des 687 Tage dauernden Marsjahres verschiebt. »Das erzeugt eine Gezeitenkraft, und diese Gezeitenkraft verändert die Form des Mars im Lauf des Jahres«, sagt Berne. Die Verformung ist winzig, verändert aber das Gravitationsfeld des Mars so stark, dass sich die Bewegungen umkreisender Raumfahrzeuge verändern.

Im Norden starrer, im Süden weicher

Um dieses Gravitationssignal zu isolieren, wertete das Team 16 Jahre lang gesammelte Funkortungsdaten von drei Marsorbitern mit einer Technik namens Gezeitentomografie neu aus, die zuvor zur Kartierung der Tiefen der Erde und des Erdmondes verwendet, jedoch noch nie zuvor für den Mars eingesetzt worden war. »Wenn der Mars eine ungewöhnliche Struktur im Mantel aufweist, wird dieses Signal anders ausfallen, als wenn er ein symmetrisches Inneres hätte«, erklärt Berne. Wie sich herausstellte, wichen die Messwerte um bis zu 300 Prozent vom symmetrischen Szenario ab. Anhand der Verformung des Planeten berechnete Bernes Team, dass die Steifigkeit des Marsmantels zwischen den Hemisphären um mehr als 20 Prozent variieren dürfte, wobei der Mantel im Norden starrer und im Süden weicher ist.

Weicheres Gestein ist zudem in der Regel wärmer. Eine naive Interpretation dieser 20-prozentigen Abweichung zwischen den Hemisphären würde einen Temperaturunterschied von mehr als 1000 Grad Celsius bedeuten – was unmöglich ist, wie Berne anmerkt, denn »die gesamte südliche Hälfte wäre geschmolzen, was wir jedoch nicht beobachten«. Wenn die Gezeitenverformung des Planeten jedoch allmählicher verläuft und sich über das gesamte Jahr erstreckt, könnte dies zu einem plausibleren Nord-Süd-Temperaturunterschied von nur einigen Hundert Grad Celsius führen. »Es handelt sich um eine Verformung, die sich nach und nach langsam vollzieht«, erklärt Berne.

Die Vorstellung, dass der südliche Mantel des Mars deutlich wärmer ist, ist nicht ganz neu: Bereits 2024 deutete eine separate Studie zu »Marsbeben« auf der Grundlage von InSight-Daten ebenfalls auf eine zugrunde liegende Wärme als möglichen Grund dafür hin, dass sich seismische Energie im Süden schneller zu verflüchtigen scheint als im Norden. Als Bernes Team jedoch numerische Simulationen durchführte, um die Trennlinie zwischen härterem und weicherem Gestein zu rekonstruieren, machte es eine wirklich unerwartete Entdeckung.

Seinen Modellrechnungen zufolge verläuft die Trennlinie direkt unterhalb der Oberflächendichotomie und folgt sogar den Stellen, an denen diese Grenze nach Norden oder Süden wandert. »Das war eine erfreuliche Überraschung, und sie war der Auslöser für die Abfassung des Artikels«, erzählt Berne.

Im Lauf der Jahrzehnte haben Theoretiker drei Erklärungen für den Ursprung der Krustendichotomie des Mars entwickelt: einen kolossalen Einschlag, der die nördlichen Tiefebenen ausgehöhlt hat; Konvektion, die den südlichen Mantel von unten erwärmt; oder eine dicke südliche Kruste, die als thermische Isolierung über der radioaktiven Wärme aus dem Inneren des Planeten wirkt. Berne ist jedoch der Ansicht, dass sich diese Möglichkeiten nicht gegenseitig ausschließen.

»Wenn es eine thermische Anomalie gäbe, würde sie sich ziemlich schnell auflösen«, sagt Berne über das Einschlagsszenario. »Wir würden nicht erwarten, dass sie heute noch im Mantel vorhanden ist, wenn ein Einschlag das Einzige gewesen wäre, was passiert ist.« Seiner Meinung nach muss im Untergrund des Mars noch immer ein Prozess am Werk sein, sei es die thermische Abdeckung, Konvektion oder beides. Ein Einschlag, so argumentiert Berne, könnte durchaus der Auslöser für die ungleichmäßige Erwärmung gewesen sein, der den Norden ausgehöhlt und die dicke südliche Kruste zurückgelassen hat, die die Wärme seitdem zurückhält.

Wenn dieser Einschlag tatsächlich stattgefunden hat, wäre das riesige Becken, das er auf der Nordhalbkugel ausgehöhlt hat, zum Meeresboden eines möglichen Marsmeeres geworden. Darüber hinaus könnte auch die beobachtete starke Magnetisierung der Kruste der südlichen Hemisphäre auf dieses Ereignis zurückzuführen sein; sie könnte ein Überbleibsel des globalen Magnetfelds des Mars sein, das einst die Atmosphäre des Planeten vor dem Sonnenwind schützte. Selbst wenn man solche Einschlagsszenarien außer Acht lässt, erscheint es zunehmend plausibel, dass die tiefe Zweiteilung des Planeten in gewisser Weise die Voraussetzungen für die frühe Bewohnbarkeit des Mars geschaffen hat. Die Aufdeckung weiterer Details könnte sogar Aufschluss darüber geben, wo wir heute auf dem Planeten nach Spuren urzeitlicher Organismen suchen sollten – vorausgesetzt natürlich, dass all diese Wärme nicht nur ein Artefakt der Modellierung durch Bernes Team ist.

Gibt es weitere Modelle?

»Es ist ein interessanter Ansatz, um Informationen über die innere Struktur des Mars zu gewinnen«, sagt Amir Khan, Planetenforscher an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, der nicht an der Studie beteiligt war. »Ich denke, die wichtigsten [Teile] dieser Arbeit sind die Beobachtungen. Was darauf folgt, ist weniger relevant, da es auf einer Reihe von Modellannahmen basiert.« Laut Khan können wir nicht sicher sein, ob die Interpretation der thermischen Anomalie die einzig mögliche Erklärung für die Beobachtungsdaten ist.

»Es gibt noch offene Fragen«, gibt Paul Byrne zu bedenken, Planetenforscher an der Washington University in St. Louis, der ebenfalls nicht an der Studie beteiligt war. So ist Byrne beispielsweise verwirrt darüber, dass Tharsis, die größte Vulkanregion des Mars, an den Rändern der Dichotomie liegt und nicht im südlichen Hochland, wo der darunterliegende Mantel laut den Ergebnissen der Studie heißer sein sollte.

Der nächste Schritt, so Byrne, bestehe darin, durch die Landung von Messgeräten und die direkte Temperaturmessung auf dem Mars weitere Belege für oder gegen die thermische Anomalie zu finden. Er räumt jedoch ein, dass sich der von ihm verwendete Ansatz der Gezeitentomografie als einflussreicher erweisen könnte als die eigentlichen Ergebnisse der Studie. »In gewisser Weise ist unsere Arbeit eine Art von Werbung für diese Methode«, entgegnet Berne. Die Methode, so argumentiert er, funktioniert vollständig aus der Umlaufbahn heraus und bietet somit eine Möglichkeit, Einblicke in das Innere von Himmelskörpern wie dem Merkur, dem geysirspritzenden Saturnmond Enceladus oder sogar Pluto zu gewinnen, die in absehbarer Zeit von keinem Lander erreicht werden.

»Wir beschweren uns immer über die riesigen Budgets der Weltraumagenturen – dies ist eine Möglichkeit, die Kosten deutlich zu senken und 80 Prozent des gewünschten Ergebnisses zu erzielen«, sagt Berne.