Curiosity-roveren finder spor til den kølige gamle Mars begravet i klipper

Ved at studere de kemiske grundstoffer på Mars i dag – inklusive kulstof og ilt – kan videnskabsmænd arbejde baglæns for at samle historien om en planet, der engang havde de nødvendige betingelser til at understøtte liv.

At væve denne historie, element for element, fra omkring 140 millioner miles (225 millioner kilometer) væk er en omhyggelig proces. Men videnskabsmænd er ikke typen, der let kan afskrækkes. Orbitere og rovere på Mars har bekræftet, at planeten engang havde flydende vand, takket være spor, der inkluderer tørre flodsenge, gamle kystlinjer, og salt overfladekemi. Ved at bruge NASAs Curiosity Rover, forskere har fundet beviser for langlivede søer. De har også gravet organiske forbindelser op, eller livets kemiske byggesten. Kombinationen af ​​flydende vand og organiske forbindelser tvinger videnskabsmænd til at blive ved med at søge Mars efter tegn på tidligere eller nuværende liv.

På trods af de fristende beviser fundet indtil videre, videnskabsmænds forståelse af Mars historie udfolder sig stadig, med flere store spørgsmål åbne for debat. For en, var den gamle Marsatmosfære tyk nok til at holde planeten varm, og dermed våd, i den mængde tid, der er nødvendig for at spire og nære liv? Og de organiske forbindelser:er de tegn på liv - eller på kemi, der sker, når Mars-klipper interagerer med vand og sollys?

I en nylig Natur astronomi rapport om et flerårigt eksperiment udført i kemi-laboratoriet inde i Curiositys mave, kaldet Sample Analysis at Mars (SAM), et team af videnskabsmænd giver nogle indsigter til at hjælpe med at besvare disse spørgsmål. Holdet fandt ud af, at visse mineraler i klipperne ved Gale Crater kan være dannet i en isdækket sø. Disse mineraler kan være dannet under en kold fase klemt inde mellem varmere perioder, eller efter at Mars mistede det meste af sin atmosfære og begyndte at blive permanent kold.

Gale er et krater på størrelse med Connecticut og Rhode Island tilsammen. Det blev valgt som Curiositys landingssted i 2012, fordi det havde tegn på fortidens vand, herunder lermineraler, der kan hjælpe med at fange og bevare gamle organiske molekyler. Ja, mens du udforsker bunden af ​​et bjerg i midten af ​​krateret, kaldet Mount Sharp, Curiosity fandt et lag af sedimenter 1, 000 fod (304 meter) tykt, der blev aflejret som mudder i gamle søer. For at danne så meget sediment ville en utrolig mængde vand have strømmet ned i disse søer i millioner til titusinder af varme og fugtige år, siger nogle videnskabsmænd. Men nogle geologiske træk i krateret antyder også en fortid, der inkluderede kulde, iskolde forhold.

"På et tidspunkt, Mars' overflademiljø må have oplevet en overgang fra at være varm og fugtig til at være kold og tør, som det er nu, men præcis hvornår og hvordan det skete er stadig et mysterium, " siger Heather Franz, en NASA geokemiker baseret på NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Franz, der ledede SAM-undersøgelsen, bemærker, at faktorer som ændringer i Mars' skævhed og mængden af ​​vulkansk aktivitet kunne have fået Mars-klimaet til at veksle mellem varmt og koldt over tid. Denne idé understøttes af kemiske og mineralogiske ændringer i Mars bjergarter, der viser, at nogle lag blev dannet i koldere miljøer og andre dannet i varmere.

I hvert fald siger Franz, rækken af ​​data indsamlet af Curiosity indtil videre tyder på, at holdet ser beviser for Mars klimaændringer registreret i klipper.

Kulstof og ilt stjerne i Mars klimahistorie

Franzs team fandt beviser for et koldt gammelt miljø, efter at SAM-laboratoriet udtog gasserne kuldioxid, eller CO ₂ , og ilt fra 13 støv- og stenprøver. Curiosity indsamlede disse prøver i løbet af fem jordår (jordår vs. Mars år).

CO ₂ er et molekyle af et carbonatom bundet til to oxygenatomer, med kulstof, der tjener som et nøglevidne i sagen om det mystiske Mars-klima. Faktisk, dette enkle, men alsidige element er lige så kritisk som vand i søgen efter liv andre steder. På jorden, kulstof strømmer konstant gennem luften, vand, og overflade i en velforstået cyklus, der afhænger af livet. For eksempel, planter optager kulstof fra atmosfæren i form af CO ₂ . Til gengæld, de producerer ilt, som mennesker og de fleste andre livsformer bruger til respiration i en proces, der ender med frigivelse af kulstof tilbage til luften, igen via CO ₂ , eller ind i jordskorpen, når livsformer dør og begraves.

Forskere finder ud af, at der også er et kulstofkredsløb på Mars, og de arbejder på at forstå det. Med lidt vand eller rigeligt overfladeliv på den røde planet i mindst de sidste 3 milliarder år, kulstofkredsløbet er meget anderledes end Jordens.

"Alligevel, kulstofkredsløbet foregår stadig og er stadig vigtigt, fordi det ikke kun hjælper med at afsløre information om Mars' gamle klima, " siger Paul Mahaffy, hovedefterforsker på SAM og direktør for Solar System Exploration Division hos NASA Goddard. "Det viser os også, at Mars er en dynamisk planet, der cirkulerer elementer, der er byggestenene i livet, som vi kender det."

Gasserne bygger en sag for en kølig periode

Efter at Curiosity havde fodret sten- og støvprøver ind i SAM, laboratoriet opvarmede hver enkelt til næsten 1, 650 grader Fahrenheit (900 grader Celsius) for at frigøre gasserne indeni. Ved at se på ovntemperaturerne, der frigav CO ₂ og ilt, videnskabsmænd kunne fortælle, hvilken slags mineraler gasserne kom fra. Denne type information hjælper dem med at forstå, hvordan kulstof cykler på Mars.

Forskellige undersøgelser har antydet, at Mars' gamle atmosfære, indeholder hovedsageligt CO ₂ , kan have været tykkere end Jordens er i dag. Det meste er gået tabt til rummet, men nogle kan være opbevaret i klipper på planetens overflade, især i form af karbonater, som er mineraler lavet af kulstof og ilt. På jorden, karbonater dannes, når CO ₂ fra luften absorberes i havene og andre vandområder og mineraliseres derefter til klipper. Forskere mener, at den samme proces skete på Mars, og at den kunne hjælpe med at forklare, hvad der skete med noget af Mars-atmosfæren.

Endnu, missioner til Mars har ikke fundet nok karbonater i overfladen til at understøtte en tyk atmosfære.

Ikke desto mindre, de få karbonater, som SAM opdagede, afslørede noget interessant om Mars-klimaet gennem isotoper af kulstof og ilt, der er lagret i dem. Isotoper er versioner af hvert element, der har forskellige masser. Fordi forskellige kemiske processer, fra stendannelse til biologisk aktivitet, bruge disse isotoper i forskellige proportioner, forholdet mellem tunge og lette isotoper i en klippe giver videnskabsmænd ledetråde til, hvordan klippen er dannet.

I nogle af de fundne karbonater SAM, videnskabsmænd bemærkede, at iltisotoperne var lettere end dem i Mars atmosfære. Dette tyder på, at karbonaterne ikke er dannet for længe siden blot fra atmosfærisk CO ₂ optaget i en sø. Hvis de havde, iltisotoperne i klipperne ville have været lidt tungere end dem i luften.

Selvom det er muligt, at karbonaterne er dannet meget tidligt i Mars historie, da den atmosfæriske sammensætning var en smule anderledes, end den er i dag, Franz og hendes kolleger foreslår, at karbonaterne mere sandsynligt er dannet i en frysende sø. I dette scenarie, isen kunne have suget tunge iltisotoper op og efterladt de letteste for at danne karbonater senere. Andre Curiosity-forskere har også fremlagt beviser, der tyder på, at isdækkede søer kunne have eksisteret i Gale Crater.

Så hvor er alt kulstoffet?

Den lave overflod af karbonater på Mars er forvirrende, siger videnskabsmænd. Hvis der ikke er mange af disse mineraler ved Gale Crater, måske var den tidlige atmosfære tyndere end forudsagt. Eller måske er der noget andet, der lagrer det manglende atmosfæriske kulstof.

Baseret på deres analyse, Franz og hendes kolleger foreslår, at noget kulstof kan bindes i andre mineraler, såsom oxalater, som lagrer kulstof og ilt i en anden struktur end karbonater. Deres hypotese er baseret på de temperaturer, hvor CO ₂ blev frigivet fra nogle prøver inde i SAM - for lavt til karbonater, men lige præcis til oxalater - og på de forskellige kulstof- og oxygenisotopforhold, end forskerne så i karbonaterne.

En model af et carbonatmolekyle ved siden af ​​et oxalatmolekyle

Oxalater er den mest almindelige type organisk mineral produceret af planter på Jorden. Men oxalater kan også fremstilles uden biologi. En måde er gennem samspillet mellem atmosfærisk CO ₂ med overflademineraler, vand, og sollys, i en proces kendt som abiotisk fotosyntese. Denne type kemi er svær at finde på Jorden, fordi der er rigeligt liv her, men Franzs team håber på at skabe abiotisk fotosyntese i laboratoriet for at finde ud af, om det faktisk kan være ansvarligt for den kulstofkemi, de ser i Gale Crater.

På jorden, abiotisk fotosyntese kan have banet vejen for fotosyntese blandt nogle af de første mikroskopiske livsformer, Derfor interesserer astrobiologer at finde det på andre planeter.

Selv hvis det viser sig, at abiotisk fotosyntese låste noget kulstof fra atmosfæren ind i klipperne ved Gale Crater, Franz og hendes kolleger vil gerne studere jord og støv fra forskellige dele af Mars for at forstå, om deres resultater fra Gale Crater afspejler et globalt billede. Det kan de en dag få en chance for. NASA's Perseverance Mars rover, på grund af opsendelse til Mars mellem juli og august 2020, planlægger at pakke prøver i Jezero-krateret for mulig tilbagevenden til laboratorier på Jorden.