Water is essentieel voor het leven op aarde en andere planeten, en wetenschappers hebben in de vroege geschiedenis van Mars ruimschoots bewijs van water gevonden. Maar Mars heeft vandaag geen vloeibaar water op zijn oppervlak. Nieuw onderzoek van de Washington University in St. Louis suggereert een fundamentele reden:Mars is misschien gewoon te klein om grote hoeveelheden water vast te houden.

Remote sensing-studies en analyses van Mars-meteorieten uit de jaren tachtig stellen dat Mars ooit waterrijk was, vergeleken met de aarde. NASA's Viking orbiter-ruimtevaartuig - en, recenter, de Curiosity and Perseverance-rovers op de grond leverden dramatische beelden op van Marslandschappen die werden gekenmerkt door rivierdalen en overstromingskanalen.

Ondanks dit bewijs, er blijft geen vloeibaar water op het oppervlak achter. Onderzoekers stelden veel mogelijke verklaringen voor, waaronder een verzwakking van het magnetische veld van Mars, wat had kunnen leiden tot het verlies van een dikke atmosfeer.

Maar een studie publiceerde de week van 20 september in de Proceedings van de National Academy of Sciences suggereert een meer fundamentele reden waarom de huidige Mars er zo drastisch anders uitziet dan het 'blauwe marmer' van de aarde.

"Het lot van Mars werd vanaf het begin beslist, " zei Kun Wang, assistent-professor aard- en planeetwetenschappen in Arts &Sciences aan de Washington University, senior auteur van de studie. "Er is waarschijnlijk een drempel voor de grootte-eisen van rotsachtige planeten om voldoende water vast te houden om bewoonbaarheid en platentektoniek mogelijk te maken, met een massa groter dan die van Mars."

Voor de nieuwe studie Wang en zijn medewerkers gebruikten stabiele isotopen van het element kalium (K) om de aanwezigheid te schatten, verspreiding en overvloed van vluchtige elementen op verschillende planetaire lichamen.

Kalium is een matig vluchtig element, maar de wetenschappers besloten het te gebruiken als een soort tracer voor meer vluchtige elementen en verbindingen, zoals water. Dit is een relatief nieuwe methode die afwijkt van eerdere pogingen om kalium-tot-thorium (Th) -verhoudingen te gebruiken die zijn verzameld door teledetectie en chemische analyse om de hoeveelheid vluchtige stoffen te bepalen die Mars ooit had. In eerder onderzoek is leden van de onderzoeksgroep gebruikten een kaliumtracermethode om de vorming van de maan te bestuderen.

Wang en zijn team maten de kaliumisotoopsamenstellingen van 20 eerder bevestigde Mars-meteorieten, geselecteerd om representatief te zijn voor de bulksilicaatsamenstelling van de rode planeet.

Met behulp van deze aanpak, de onderzoekers stelden vast dat Mars tijdens zijn vorming meer kalium en andere vluchtige stoffen verloor dan de aarde, maar behield meer van deze vluchtige stoffen dan de maan en asteroïde 4-Vesta, twee veel kleinere en drogere lichamen dan de aarde en Mars.

De onderzoekers vonden een goed gedefinieerde correlatie tussen lichaamsgrootte en kaliumisotopensamenstelling.

"De reden voor veel lagere hoeveelheden vluchtige elementen en hun verbindingen in gedifferentieerde planeten dan in primitieve ongedifferentieerde meteorieten is een al lang bestaande vraag, " zei Katharina Lodders, onderzoekshoogleraar aard- en planeetwetenschappen aan de Washington University, een co-auteur van de studie. "De bevinding van de correlatie van K-isotopensamenstellingen met planeetzwaartekracht is een nieuwe ontdekking met belangrijke kwantitatieve implicaties voor wanneer en hoe de gedifferentieerde planeten hun vluchtige stoffen ontvingen en verloren."

"Meteorieten op Mars zijn de enige monsters waarover we beschikken om de chemische samenstelling van de massale Mars te bestuderen, Wang zei. "Die meteorieten van Mars hebben een leeftijd variërend van enkele honderden miljoenen tot 4 miljard jaar en hebben de vluchtige evolutiegeschiedenis van Mars vastgelegd. Door de isotopen van matig vluchtige elementen te meten, zoals kalium, we kunnen de mate van vluchtige uitputting van bulkplaneten afleiden en vergelijkingen maken tussen verschillende zonnestelsellichamen.

"Het staat buiten kijf dat er vroeger vloeibaar water op het oppervlak van Mars was, maar hoeveel water in totaal Mars ooit had, is moeilijk te kwantificeren door middel van remote sensing en roverstudies alleen, " zei Wang. "Er zijn veel modellen voor het bulkwatergehalte van Mars. Bij sommigen van hen, vroege Mars was zelfs natter dan de aarde. We geloven niet dat dat het geval was."

Zhen Tian, een afgestudeerde student in het laboratorium van Wang en een McDonnell International Academy Scholar, is de eerste auteur van het artikel. Postdoctoraal onderzoeksmedewerker Piers Koefoed is co-auteur, net als Hannah Bloom, die in 2020 afstudeerde aan de Washington University. Wang en Lodders zijn fellows van het McDonnell Center for the Space Sciences van de universiteit.

De bevindingen hebben implicaties voor de zoektocht naar leven op andere planeten dan Mars, merkten de onderzoekers op.

Te dicht bij de zon staan ​​(of, voor exoplaneten, te dicht bij hun ster) kan de hoeveelheid vluchtige stoffen beïnvloeden die een planetair lichaam kan vasthouden. Deze meting van de afstand tot de ster wordt vaak verwerkt in indexen van "bewoonbare zones" rond sterren.

"Deze studie benadrukt dat er een zeer beperkt groottebereik is voor planeten om net genoeg maar niet te veel water te hebben om een ​​bewoonbare oppervlakteomgeving te ontwikkelen, " zei Klaus Mezger van het Centrum voor Ruimte en Bewoonbaarheid aan de Universiteit van Bern, Zwitserland, een co-auteur van de studie. "Deze resultaten zullen astronomen begeleiden bij hun zoektocht naar bewoonbare exoplaneten in andere zonnestelsels."

Wang denkt nu dat, voor planeten die zich binnen bewoonbare zones bevinden, planetaire grootte moet waarschijnlijk meer worden benadrukt en routinematig worden overwogen bij het nadenken over de vraag of een exoplaneet leven kan ondersteunen.

"De grootte van een exoplaneet is een van de gemakkelijkst te bepalen parameters, " zei Wang. "Op basis van grootte en massa, we weten nu of een exoplaneet een kandidaat is voor leven, omdat een eerste-orde bepalende factor voor vluchtige retentie grootte is."