I Jessica Barnes palm finns en gammal, mosaik av glas i myntstorlek, mineraler och stenar tjocka som en tråd av ullfiber. Det är en bit av marsmeteorit, känd som Northwest Africa 7034 eller Black Beauty, som bildades när ett enormt slag cementerade ihop olika bitar av Marsskorpan.

Barnes är biträdande professor i planetvetenskap vid University of Arizona Lunar and Planetary Laboratory. Hon och hennes team analyserade kemiskt Black Beauty-meteoriten och den ökända Allan Hills 84001-meteoriten – kontroversiell på 1990-talet för att de påstås innehålla marsiska mikrober – för att rekonstruera Mars vattenhistoria och planetariska ursprung.

Deras analys, publiceras idag i Naturgeovetenskap , visade att Mars sannolikt fick vatten från åtminstone två mycket olika källor tidigt i sin historia. Variabiliteten som forskarna fann antyder att Mars, till skillnad från jorden och månen, aldrig haft ett hav av magma som helt omsluter planeten.

"Dessa två olika vattenkällor i Mars' inre kan säga oss något om vilka typer av föremål som var tillgängliga för att smälta samman till det inre, steniga planeter, " sa Barnes. Två distinkta planetesimaler med väldigt olika vatteninnehåll kunde ha kolliderat och aldrig helt blandat. "Detta sammanhang är också viktigt för att förstå Mars tidigare beboelighet och astrobiologi."

Läser vattnet

"Många människor har försökt ta reda på Mars vattenhistoria, " sa Barnes. "Som, var kom vattnet ifrån? Hur länge var det i jordskorpan (ytan) på Mars? Var kom Mars inre vatten ifrån? Vad kan vatten berätta om hur Mars bildades och utvecklades?"

Barnes och hennes team kunde pussla ihop Mars vattenhistoria genom att leta efter ledtrådar i två typer, eller isotoper, av väte. En väteisotop innehåller en proton i sin kärna; detta kallas ibland "lätt väte". Den andra isotopen kallas deuterium, som innehåller en proton och en neutron i kärnan; detta kallas ibland för "tungt väte". Förhållandet mellan dessa två väteisotoper signalerar till en planetforskare processerna och det möjliga ursprunget för vatten i klipporna, mineraler och glas där de finns.

Meteoritmysterium

I cirka 20 år, forskare har registrerat isotopförhållandena från marsmeteoriter, och deras data fanns överallt. Det verkade vara lite trend, sa Barnes.

Vatten instängt i jordstenar är vad som kallas ofraktionerat, vilket betyder att det inte avviker mycket från standardreferensvärdet för havsvatten – en 1:6, 420 förhållande mellan tungt till lätt väte. Mars atmosfär, å andra sidan, är kraftigt fraktionerad - det är mestadels befolkat av deuterium, eller tungt väte, troligen för att solvinden tog bort det lätta vätet. Mätningar från Mars-meteoriter – av vilka många grävdes ut från djupt inuti Mars genom nedslagshändelser – sträckte sig i spektrumet mellan jordens och Mars atmosfärmätningar.

Barnes team satte sig för att undersöka väteisotopsammansättningen i Mars-skorpan, specifikt genom att studera prover som de visste härstammade från skorpan:Black Beauty- och Allan Hills-meteoriterna. Black Beauty var särskilt användbart eftersom det är en mashup av ytmaterial från många olika punkter i Mars historia.

"Detta gjorde att vi kunde bilda oss en uppfattning om hur Mars skorpa såg ut under flera miljarder år, sa Barnes.

De isotopiska förhållandena för meteoritproverna föll ungefär halvvägs mellan värdet för jordstenar och Mars atmosfär. När forskarnas resultat jämfördes med tidigare studier, inklusive resultat från Curiosity Rover, det verkar som att detta var fallet under större delen av Mars 4 miljarder plus-åriga historia.

"Vi trodde, ok det här är intressant, men också lite konstigt, " sa Barnes. "Hur förklarar vi denna dikotomi där Mars atmosfär fraktioneras, men skorpan förblir i princip densamma över geologisk tid?"

Barnes och hennes kollegor kämpade också med att försöka förklara varför jordskorpan verkade så annorlunda från marsmanteln, stenen senare som ligger nedanför.

"Om du försöker förklara detta ganska konstanta isotopförhållande mellan Mars skorpa, du kan verkligen inte använda atmosfären för att göra det, " sade Barnes. "Men vi vet hur skorpor bildas. De är bildade av smält material från insidan som stelnar på ytan."

"Den rådande hypotesen innan vi började det här arbetet var att Mars inre var mer jordliknande och ofraktionerat, och så variabiliteten i väteisotopförhållandena inom marsprover berodde på antingen markbunden kontaminering eller atmosfärisk implantation när den tog sig bort från Mars, sa Barnes.

Idén att Mars inre var jordliknande till sin sammansättning kom från en studie av en meteorit från Mars som tros ha sitt ursprung från manteln - det inre mellan planetens kärna och dess ytskorpa.

Dock, Barnes sa, "Marsmeteoriter plottar i princip överallt, och så att försöka ta reda på vad dessa prover faktiskt berättar om vatten i Mars mantel har historiskt sett varit en utmaning. Det faktum att våra data för jordskorpan var så olika fick oss att gå tillbaka genom den vetenskapliga litteraturen och granska data."

Forskarna fann att två geokemiskt olika typer av vulkaniska bergarter från Mars - berikade shergotiter och utarmade shergotiter - innehåller vatten med olika väteisotopförhållanden. Anrikade shergottiterna innehåller mer deuterium än de utarmade shergottiterna, som är mer jordliknande, de hittade.

"Det visar sig att om du blandar olika proportioner väte från dessa två typer av shergotiter, du kan få jordskorpans värde, " sa Barnes.

Hon och hennes kollegor tror att shergottiterna registrerar signaturerna för två olika väte - och i förlängningen, vatten—reservoarer inom Mars. Den skarpa skillnaden antyder för dem att mer än en källa kan ha bidragit med vatten till Mars och att Mars inte hade ett globalt magmahav.