Door de huidige chemische elementen op Mars te bestuderen - inclusief koolstof en zuurstof - kunnen wetenschappers achteruit werken om de geschiedenis samen te voegen van een planeet die ooit de omstandigheden had die nodig waren om leven te ondersteunen.

Dit verhaal weven, element voor element, van ongeveer 140 miljoen mijl (225 miljoen kilometer) is een moeizaam proces. Maar wetenschappers zijn niet het type dat zich gemakkelijk laat afschrikken. Orbiters en rovers op Mars hebben bevestigd dat de planeet ooit vloeibaar water had, dankzij aanwijzingen met onder meer droge rivierbeddingen, oude kusten, en zoute oppervlaktechemie. Met behulp van NASA's Curiosity Rover, wetenschappers hebben bewijs gevonden voor langlevende meren. Ze hebben ook organische verbindingen opgegraven, of de chemische bouwstenen van het leven. De combinatie van vloeibaar water en organische verbindingen dwingt wetenschappers om op Mars te blijven zoeken naar tekenen van vorig of heden leven.

Ondanks het verleidelijke bewijs dat tot nu toe is gevonden, Het begrip van wetenschappers van de geschiedenis van Mars ontvouwt zich nog steeds, met een aantal belangrijke vragen open voor discussie. Voor een, was de oude atmosfeer van Mars dik genoeg om de planeet warm te houden, en dus nat, voor de hoeveelheid tijd die nodig is om het leven te ontkiemen en te voeden? En de organische verbindingen:zijn het tekenen van leven - of van chemie die optreedt wanneer Mars-gesteenten in wisselwerking staan ​​met water en zonlicht?

In een recente Natuurastronomie rapport over een meerjarig experiment uitgevoerd in het scheikundelab in de buik van Curiosity, genaamd Monsteranalyse op Mars (SAM), een team van wetenschappers biedt enkele inzichten om deze vragen te helpen beantwoorden. Het team ontdekte dat bepaalde mineralen in rotsen bij Gale Crater mogelijk zijn gevormd in een met ijs bedekt meer. Deze mineralen kunnen zijn gevormd tijdens een koude fase, ingeklemd tussen warmere periodes, of nadat Mars het grootste deel van zijn atmosfeer had verloren en permanent koud begon te worden.

Gale is een krater zo groot als Connecticut en Rhode Island samen. Het werd geselecteerd als de landingsplaats van Curiosity in 2012 omdat het tekenen van verleden water vertoonde. waaronder kleimineralen die kunnen helpen oude organische moleculen te vangen en te behouden. Inderdaad, terwijl je de voet van een berg in het midden van de krater verkent, genaamd Mount Sharp, Curiosity vond een laag sediment 1, 000 voet (304 meter) dik die werd afgezet als modder in oude meren. Om zoveel sediment te vormen, zou er een ongelooflijke hoeveelheid water in die meren zijn gestroomd gedurende miljoenen tot tientallen miljoenen warme en vochtige jaren, zeggen sommige wetenschappers. Maar sommige geologische kenmerken in de krater wijzen ook op een verleden met koude, ijzige omstandigheden.

"Op een gegeven moment, De oppervlakteomgeving van Mars moet een overgang hebben meegemaakt van warm en vochtig naar koud en droog, zoals het nu is, maar precies wanneer en hoe dat gebeurde, is nog steeds een mysterie, " zegt Heather Franz, een NASA-geochemicus gevestigd in het Goddard Space Flight Center van NASA in Greenbelt, Maryland.

Frans, die de SAM-studie leidde, merkt op dat factoren zoals veranderingen in de helling van Mars en de hoeveelheid vulkanische activiteit ervoor kunnen zorgen dat het klimaat op Mars in de loop van de tijd afwisselt tussen warm en koud. Dit idee wordt ondersteund door chemische en mineralogische veranderingen in gesteenten op Mars die aantonen dat sommige lagen in koudere omgevingen werden gevormd en andere in warmere.

In elk geval, zegt Frans, de reeks gegevens die tot nu toe door Curiosity zijn verzameld, suggereert dat het team bewijs ziet voor de klimaatverandering op Mars die is vastgelegd in rotsen.

Koolstof- en zuurstofster in het klimaatverhaal van Mars

Het team van Franz vond bewijs voor een koude oude omgeving nadat het SAM-lab de gassen kooldioxide had geëxtraheerd, of CO ₂ , en zuurstof uit 13 stof- en steenmonsters. Curiosity verzamelde deze monsters in de loop van vijf aardse jaren (Aarde jaren vs. Mars jaren).

CO ₂ is een molecuul van één koolstofatoom gebonden met twee zuurstofatomen, met koolstof als kroongetuige in het geval van het mysterieuze Marsklimaat. In feite, dit eenvoudige maar veelzijdige element is net zo belangrijk als water bij het zoeken naar leven elders. Op aarde, koolstof stroomt continu door de lucht, water, en komen aan de oppervlakte in een goed begrepen cyclus die afhangt van het leven. Bijvoorbeeld, planten nemen koolstof op uit de atmosfeer in de vorm van CO ₂ . In ruil, ze produceren zuurstof, die mensen en de meeste andere levensvormen gebruiken voor ademhaling in een proces dat eindigt met het vrijkomen van koolstof in de lucht, opnieuw via CO ₂ , of in de aardkorst als levensvormen sterven en worden begraven.

Wetenschappers ontdekken dat er ook een koolstofcyclus op Mars is en ze werken eraan om deze te begrijpen. Met weinig water of overvloedig oppervlakteleven op de Rode Planeet gedurende ten minste de afgelopen 3 miljard jaar, de koolstofcyclus is veel anders dan die van de aarde.

"Hoe dan ook, de koolstofcyclus vindt nog steeds plaats en is nog steeds belangrijk omdat het niet alleen helpt om informatie over het oude klimaat van Mars te onthullen, " zegt Paul Mahaffy, hoofdonderzoeker van SAM en directeur van de Solar System Exploration Division bij NASA Goddard. "Het laat ons ook zien dat Mars een dynamische planeet is met circulerende elementen die de bouwstenen zijn van het leven zoals wij dat kennen."

De gassen bouwen een zaak op voor een kille periode

Nadat Curiosity rots- en stofmonsters in SAM had gevoerd, het lab verwarmde elk tot bijna 1, 650 graden Fahrenheit (900 graden Celsius) om de gassen binnenin vrij te maken. Door te kijken naar de oventemperaturen waarbij de CO . vrijkwam ₂ en zuurstof, wetenschappers konden zien uit wat voor soort mineralen de gassen kwamen. Dit soort informatie helpt hen te begrijpen hoe koolstof op Mars circuleert.

Verschillende studies hebben gesuggereerd dat de oude atmosfeer van Mars, met voornamelijk CO ₂ , was mogelijk dikker dan die van de aarde vandaag de dag. Het meeste is verloren gegaan in de ruimte, maar sommige kunnen worden opgeslagen in rotsen aan het oppervlak van de planeet, vooral in de vorm van carbonaten, dat zijn mineralen gemaakt van koolstof en zuurstof. Op aarde, carbonaten ontstaan ​​wanneer CO ₂ uit de lucht wordt geabsorbeerd in de oceanen en andere watermassa's en vervolgens gemineraliseerd tot rotsen. Wetenschappers denken dat hetzelfde proces op Mars plaatsvond en dat het zou kunnen helpen verklaren wat er met een deel van de atmosfeer van Mars is gebeurd.

Nog, missies naar Mars hebben niet genoeg carbonaten in het oppervlak gevonden om een ​​dikke atmosfeer te ondersteunen.

Niettemin, de weinige carbonaten die SAM ontdekte, onthulden iets interessants over het klimaat op Mars door de isotopen van koolstof en zuurstof die erin waren opgeslagen. Isotopen zijn versies van elk element met verschillende massa's. Omdat verschillende chemische processen, van rotsformatie tot biologische activiteit, gebruik deze isotopen in verschillende verhoudingen, de verhoudingen van zware tot lichte isotopen in een rots geven wetenschappers aanwijzingen over hoe de rots is gevormd.

In sommige van de carbonaten die SAM vond, wetenschappers merkten op dat de zuurstofisotopen lichter waren dan die in de atmosfeer van Mars. Dit suggereert dat de carbonaten niet lang geleden eenvoudig uit atmosferisch CO . zijn gevormd ₂ opgenomen in een meer. Als ze hadden, de zuurstofisotopen in de rotsen zouden iets zwaarder zijn geweest dan die in de lucht.

Hoewel het mogelijk is dat de carbonaten heel vroeg in de geschiedenis van Mars zijn gevormd, toen de atmosferische samenstelling een beetje anders was dan nu, Franz en haar collega's suggereren dat de carbonaten waarschijnlijker zijn gevormd in een ijskoud meer. In dit scenario, het ijs kan zware zuurstofisotopen hebben opgezogen en de lichtste hebben achtergelaten om later carbonaten te vormen. Andere wetenschappers van Curiosity hebben ook bewijs gepresenteerd dat suggereert dat met ijs bedekte meren in Gale Crater hebben kunnen bestaan.

Dus waar is alle koolstof?

De lage hoeveelheid carbonaten op Mars is raadselachtig, wetenschappers zeggen. Als er niet veel van deze mineralen zijn in Gale Crater, misschien was de vroege atmosfeer dunner dan voorspeld. Of misschien slaat iets anders de ontbrekende atmosferische koolstof op.

Op basis van hun analyse, Franz en haar collega's suggereren dat een deel van de koolstof kan worden vastgelegd in andere mineralen, zoals oxalaten, die koolstof en zuurstof in een andere structuur opslaan dan carbonaten. Hun hypothese is gebaseerd op de temperaturen waarbij CO ₂ werd vrijgegeven uit enkele monsters in SAM - te laag voor carbonaten, maar precies goed voor oxalaten - en op de verschillende koolstof- en zuurstofisotoopverhoudingen dan de wetenschappers in de carbonaten zagen.

Een model van een carbonaatmolecuul naast een oxalaatmolecuul

Oxalaten zijn het meest voorkomende type organisch mineraal dat door planten op aarde wordt geproduceerd. Maar oxalaten kunnen ook zonder biologie worden geproduceerd. Een manier is door de interactie van atmosferisch CO ₂ met oppervlaktemineralen, water, en zonlicht, in een proces dat bekend staat als abiotische fotosynthese. Dit type chemie is moeilijk te vinden op aarde omdat er hier een overvloed aan leven is, maar het team van Franz hoopt abiotische fotosynthese in het laboratorium te creëren om erachter te komen of het daadwerkelijk verantwoordelijk kan zijn voor de koolstofchemie die ze in Gale Crater zien.

Op aarde, abiotische fotosynthese heeft mogelijk de weg vrijgemaakt voor fotosynthese bij enkele van de eerste microscopische levensvormen, daarom interesseren astrobiologen het om het op andere planeten te vinden.

Zelfs als blijkt dat abiotische fotosynthese wat koolstof uit de atmosfeer opgesloten heeft in rotsen bij Gale Crater, Franz en haar collega's willen bodem en stof van verschillende delen van Mars bestuderen om te begrijpen of hun resultaten van Gale Crater een globaal beeld weerspiegelen. Misschien krijgen ze op een dag de kans om dat te doen. NASA's Perseverance Mars-rover, vanwege de lancering naar Mars tussen juli en augustus 2020, is van plan om monsters in Jezero Crater in te pakken voor mogelijke terugkeer naar laboratoria op aarde.