Søger efter livet i havverdenernes iskolde skorper

Længe før NASA's Perseverance rover landede på den røde planet den 18. februar, et af dets højeste missionsmål var allerede etableret:at opsøge tegn på gammelt liv på Mars-overfladen. Faktisk, de teknikker, der bruges af et af de videnskabelige instrumenter ombord på roveren, kunne have anvendelse på Saturns måner Enceladus og Titan samt Jupiters måne Europa.

"Udholdenhed kommer til at lede efter en indkøbsliste med mineraler, økologiske, og andre kemiske forbindelser, der kan afsløre mikrobielt liv engang trivedes på Mars, " sagde Luther Beegle, hovedefterforsker for Mars 2020's Scanning af beboelige miljøer med instrumentet Raman &Luminescence for Organics &Chemicals (SHERLOC). "Men teknologien bag SHERLOC, der vil lede efter tidligere liv i Mars klipper, er meget adaptiv og kan også bruges til at opsøge levende mikrober og de kemiske byggesten til livet i den dybe is på månerne Saturn og Jupiter."

Enceladus, Europa, og selv den disige måne Titan menes at skjule store oceaner af flydende vand indeholdende kemiske forbindelser forbundet med biologiske processer under deres tykke iskolde ydre - meget forskellige miljøer fra moderne Mars. Hvis der eksisterer mikrobielt liv i disse farvande, videnskabsmænd kan muligvis også finde beviser for det i isen. Men hvordan finder man det bevis, hvis det er låst dybt i isen?

Indtast WATSON. Forkortelse for Wireline Analysis Tool for the Subsurface Observation of Northern is sheets, den 3,9 fod lange (1,2 meter lange) lange rørlignende prototype er under udvikling på NASAs Jet Propulsion Laboratory i det sydlige Californien. Den er blevet koblet til Honeybee Robotics' Planetary Deep Drill, og denne kombination blev med succes afprøvet i den ekstreme kulde på Grønlands is.

En mindre version af WATSON kunne en dag køre ombord på en fremtidig robotmission for at udforske beboelighedspotentialet for en af ​​disse gådefulde måner. Instrumentet ville scanne ind i isen på jagt efter biosignaturer - organiske molekyler skabt af biologiske processer. Skulle den opdage nogen, en fremtidig version af WATSON, med den ekstra evne til at opsamle is fra borehulsvæggen, kunne derefter samle prøver til yderligere undersøgelse.

Ved at bruge dyb-ultraviolet laser Raman-spektroskopi til at analysere de materialer, hvor de findes, i stedet for straks at hente isprøver og derefter studere dem på månens overflade, instrumentet ville give forskerne yderligere information om disse prøver ved at studere, hvor de er i konteksten af ​​deres miljø.

"Det ville være fantastisk, hvis vi først undersøgte, hvordan disse prøver faktisk så ud i deres naturlige miljø, før vi øser og blander dem i en gylle til testning, " sagde Mike Malaska, en astrobiolog ved JPL og ledende videnskabsmand for WATSON. "Det er derfor, vi udvikler dette ikke-invasive instrument til brug i iskolde miljøer:for at få et dybt kig ind i isen og identificere klynger af organiske forbindelser - måske endda mikrober - så de kan studeres, før vi analyserer dem yderligere og mister deres indfødt kontekst eller ændre deres struktur."

Selvom WATSON bruger samme teknik som Perseverance's SHERLOC, der er forskelle. For en, SHERLOC vil analysere Mars sten og sediment for at jage efter tegn på tidligere mikrobielt liv, der kan indsamles og returneres til Jorden ved fremtidige missioner for dybere undersøgelse. Og SHERLOC borer ikke huller. Et separat værktøj gør det.

Men begge er afhængige af en dyb-ultraviolet laser og spektrometer, og hvor WATSON-isinstrumentet har et billedapparat til at observere teksturen og partiklerne i isvæggen, Perseverance's SHERLOC er parret med et højopløsningskamera til at tage nærbilleder af stenteksturer for at understøtte dets observationer. Det kamera deler tilfældigvis det samme navn som den isudforskende prototype:WATSON. I dette tilfælde, selvom, akronymet står for Wide Angle Topographic Sensor for Operations and engineering. (Trods alt, ethvert instrument med et navn inspireret af den berømte fiktive detektiv Sherlock Holmes er bundet til at inspirere til referencer til hans partner.)

Enceladus på jorden

Ligesom SHERLOC gennemgik omfattende test på Jorden, inden han tog til Mars, det skal WATSON også, før det sendes til det ydre solsystem. For at se, hvordan instrumentet kan fungere i den iskolde skorpe på Enceladus og månens ekstremt lave temperaturer, WATSON-teamet valgte Grønland som en "jordanalog" til felttest af prototypen under en kampagne i 2019.

Jordanaloger deler lignende egenskaber med andre steder i vores solsystem. For Grønlands vedkommende miljøet nær midten af ​​øens indlandsis og væk fra kysten nærmer sig overfladen af ​​Enceladus, hvor havmaterialer bryder ud fra den lille månes frodige åbninger og regner ned. Den manglede is ved kanten af ​​Grønlands gletschere nær kysten, i mellemtiden, kan tjene som en analog til Europas spændte dybe iskolde skorpe.

Under kampagnen for at udforske et eksisterende borehul nær Summit Station, en højtliggende fjernobservationsstation i Grønland, instrumentet blev sat igennem sine trin. Da det faldt mere end 330 fod (100 meter), WATSON brugte sin UV-laser til at belyse isens vægge, får nogle molekyler til at gløde. Spektrometret målte derefter deres svage glød for at give holdet indsigt i deres struktur og sammensætning.

Selvom det ikke kom som en overraskelse at finde biosignaturer i Grønlands ispose - testene var på Jorden, når alt kommer til alt - kortlægningen af ​​deres fordeling langs væggene i det dybe borehul rejste nye spørgsmål om, hvordan disse funktioner er kommet til, hvor de er. Holdet opdagede, at mikrober dybt i isen har en tendens til at klumpe sig sammen i klatter, ikke i lag, som de oprindeligt forventede.

"Vi lavede kort, mens WATSON scannede siderne af borehullet og de klyngede hotspots af blå, grønne og røde - alle repræsenterer forskellige slags organisk materiale, " sagde Malaska. "Og det, der var interessant for mig, var, at fordelingen af ​​disse hotspots var stort set den samme overalt, hvor vi kiggede:Lige meget om kortet blev oprettet på 10 eller 100 meter [33 eller 330 fod] i dybden, disse kompakte små klatter var der."

Ved at måle de spektrale signaturer af disse hotspots, holdet identificerede farver, der stemmer overens med aromatiske kulbrinter (nogle, der kan stamme fra luftforurening), ligniner (forbindelser, der hjælper med at bygge cellevægge i planter), og andre biologisk producerede materialer (såsom komplekse organiske syrer, der også findes i jord). Ud over, instrumentet registrerede signaturer svarende til gløden produceret af klynger af mikrober.

Der er flere test, der skal udføres - ideelt set, i andre jordanaloger, der tilnærmer betingelserne for andre iskolde måner - men holdet blev opmuntret af, hvor følsom WATSON var over for så mange forskellige biosignaturer. Denne høje følsomhed ville være nyttig på missioner til oceanverdener, hvor fordelingen og tætheden af ​​eventuelle potentielle biosignaturer er ukendte, sagde Rohit Bhartia, hovedefterforsker for WATSON og stedfortrædende hovedefterforsker for SHERLOC, af fotonsystemer i Covina, Californien. "Hvis vi skulle indsamle en tilfældig prøve, vi vil sandsynligvis gå glip af noget meget interessant, men gennem vores første felttest, vi er i stand til bedre at forstå fordelingen af ​​organiske stoffer og mikrober i terrestrisk is, der kan hjælpe os, når vi borer i skorpen på Enceladus."

Resultaterne af felttesten blev offentliggjort i tidsskriftet Astrobiologi i efteråret 2020 og præsenteret på American Geophysical Union Fall Meeting 2020 den 11. december.