Mars beboelighed begrænset af dens lille størrelse, isotopundersøgelse tyder på

Vand er afgørende for liv på Jorden og andre planeter, og videnskabsmænd har fundet rigeligt bevis for vand i Mars' tidlige historie. Men Mars har intet flydende vand på sin overflade i dag. Ny forskning fra Washington University i St. Louis antyder en grundlæggende årsag:Mars er måske bare for lille til at holde på store mængder vand.

Fjernmålingsundersøgelser og analyser af Mars-meteoritter, der går tilbage til 1980'erne, hævder, at Mars engang var vandrig, sammenlignet med Jorden. NASA's Viking orbiter-rumfartøj - og, for nylig, Curiosity and Perseverance-roverne på jorden - returnerede dramatiske billeder af Mars-landskaber præget af floddale og oversvømmelseskanaler.

På trods af dette bevis, der er ikke flydende vand tilbage på overfladen. Forskere foreslog mange mulige forklaringer, herunder en svækkelse af Mars' magnetfelt, der kunne have resulteret i tab af en tyk atmosfære.

Men en undersøgelse offentliggjort i ugen den 20. september i Proceedings of the National Academy of Sciences antyder en mere grundlæggende årsag til, at nutidens Mars ser så drastisk anderledes ud end Jordens "blå marmor".

"Mars skæbne blev bestemt fra begyndelsen, " sagde Kun Wang, assisterende professor i jord- og planetvidenskab i kunst og videnskab ved Washington University, seniorforfatter af undersøgelsen. "Der er sandsynligvis en tærskel for størrelseskravene for klippeplaneter til at tilbageholde nok vand til at muliggøre beboelighed og pladetektonik, med masse, der overstiger Mars'.

Til den nye undersøgelse, Wang og hans samarbejdspartnere brugte stabile isotoper af grundstoffet kalium (K) til at estimere tilstedeværelsen, fordeling og overflod af flygtige grundstoffer på forskellige planetariske legemer.

Kalium er et moderat flygtigt grundstof, men forskerne besluttede at bruge det som en slags sporstof for mere flygtige grundstoffer og forbindelser, såsom vand. Dette er en relativt ny metode, der afviger fra tidligere forsøg på at bruge kalium-til-thorium (Th)-forhold indsamlet ved fjernmåling og kemisk analyse til at bestemme mængden af ​​flygtige stoffer, Mars engang havde. I tidligere forskning, medlemmer af forskergruppen brugte en kaliumspormetode til at studere månens dannelse.

Wang og hans hold målte kaliumisotopsammensætningen af ​​20 tidligere bekræftede Mars-meteoritter, udvalgt til at være repræsentativ for bulksilikatsammensætningen af ​​den røde planet.

Ved at bruge denne tilgang, forskerne fastslog, at Mars mistede mere kalium og andre flygtige stoffer end Jorden under sin dannelse, men beholdt flere af disse flygtige stoffer end månen og asteroiden 4-Vesta, to meget mindre og tørrere kroppe end Jorden og Mars.

Forskerne fandt en veldefineret sammenhæng mellem kropsstørrelse og kaliumisotopsammensætning.

"Årsagen til langt lavere forekomster af flygtige grundstoffer og deres forbindelser i differentierede planeter end i primitive udifferentierede meteoritter har været et langvarigt spørgsmål, sagde Katharina Lodders, forskningsprofessor i jord- og planetvidenskab ved Washington University, medforfatter til undersøgelsen. "Opdagelsen af ​​​​korrelationen af ​​K isotopsammensætninger med planetens tyngdekraft er en ny opdagelse med vigtige kvantitative implikationer for, hvornår og hvordan de differentierede planeter modtog og mistede deres flygtige stoffer."

"Mars-meteoritter er de eneste prøver, der er tilgængelige for os til at studere den kemiske sammensætning af Mars-massen, " sagde Wang. "Disse Mars-meteoritter har aldre, der varierer fra flere hundrede millioner til 4 milliarder år og registrerede Mars' flygtige udviklingshistorie. Gennem måling af isotoper af moderat flygtige grundstoffer, såsom kalium, vi kan udlede graden af ​​flygtig udtømning af bulkplaneter og foretage sammenligninger mellem forskellige solsystemlegemer.

"Det er ubestrideligt, at der plejede at være flydende vand på overfladen af ​​Mars, men hvor meget vand i alt Mars engang havde, er svært at kvantificere gennem fjernmåling og roverstudier alene, " sagde Wang. "Der er mange modeller derude for bulkvandindholdet på Mars. I nogle af dem, tidlige Mars var endnu vådere end Jorden. Vi tror ikke på, at det var tilfældet."

Zhen Tian, en kandidatstuderende i Wangs laboratorium og en McDonnell International Academy Scholar, er førsteforfatter af papiret. Postdoc-forsker Piers Koefoed er medforfatter, ligesom Hannah Bloom, som dimitterede fra Washington University i 2020. Wang og Lodders er fakultetsstipendiater ved universitetets McDonnell Center for Space Sciences.

Resultaterne har betydning for søgen efter liv på andre planeter end Mars, bemærkede forskerne.

At være for tæt på solen (eller, for exoplaneter, at være for tæt på deres stjerne) kan påvirke mængden af ​​flygtige stoffer, som et planetarisk legeme kan tilbageholde. Denne afstand-fra-stjerne-måling er ofte indregnet i indekser af "beboelige zoner" omkring stjerner.

"Denne undersøgelse understreger, at der er et meget begrænset størrelsesområde for planeter til at have lige nok, men ikke for meget vand til at udvikle et beboeligt overflademiljø, " sagde Klaus Mezger fra Center for Space and Habitability ved Universitetet i Bern, Schweiz, medforfatter til undersøgelsen. "Disse resultater vil guide astronomer i deres søgen efter beboelige exoplaneter i andre solsystemer."

Wang mener nu, at for planeter, der er inden for beboelige zoner, Planetstørrelse burde sandsynligvis være mere understreget og rutinemæssigt overvejet, når man tænker på, om en exoplanet kunne understøtte liv.

"Størrelsen af ​​en exoplanet er en af ​​de parametre, der er lettest at bestemme, " sagde Wang. "Baseret på størrelse og masse, vi ved nu, om en exoplanet er en kandidat til livet, fordi en førsteordens afgørende faktor for flygtig retention er størrelse."