Venus som fångades av NASA:s MESSENGER rymdfarkost den 5 juni, 2007. Samma dag, MESSENGERs neutronspektrometer samlade in data om neutroner som emitterade från Venus atmosfär, som forskare senare insåg kunde avslöja detaljer om kvävekoncentrationer i atmosfären. Kredit:NASA/Johns Hopkins APL/Carnegie Institution of Washington
Filosofen Nicholas Rescher skrev en gång, "Vetenskapliga upptäckter görs ofta inte på grundval av någon välutformad undersökningsplan, men genom en ren tur."
För ett team av forskare vid Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) i Laurel, Maryland, det påståendet kunde inte vara mer sant.
Det som började som en torrkörning för att säkerställa instrument på NASA:s Mercury Surface, Rymdmiljö, Geochemistry and Ranging (MESSENGER) rymdfarkoster fungerade som den ska förvandlades senare till en 10-årig saga som resulterade i en slumpmässig upptäckt som inte var relaterad till uppdragets målplanet, Merkurius. Det handlar om Venus och dess atmosfär.
Teamet rapporterar 20 april in Natur astronomi att data som av misstag samlats in av MESSENGER avslöjar en plötslig ökning av kvävekoncentrationer på cirka 30 miles över Venus yta, att visa att planetens atmosfär inte är jämnt blandad, som förväntat. Det fyndet ökar förståelsen om Venus atmosfär som har rådt i decennier.
Historien började i juni 2007 när MESSENGER seglade ovanför Venus för sin andra förbiflygning innan den svängde mot Merkurius. Missionsinstrumentteam tog tillfället i akt att testa sina enheter och samla in data innan den riktiga showen skulle börja ett halvår senare.
Bland teammedlemmarna var David Lawrence, en kärnfysiker vid APL. Han var instrumentforskare för MESSENGERs neutronspektrometer, som upptäcker neutroner som släpps ut i rymden från kosmiska strålar som kolliderar med molekyler i en planets atmosfär eller yta. Det syftade till att hitta de tydliga tecknen på neutroner som kommer från väteatomer i vattenmolekyler som misstänktes (och senare bekräftades) vara frusna i kraterskuggorna vid Merkurius poler.
över Venus, dock, Lawrence ville bara samla in lite data för att verifiera att instrumentet fungerade korrekt. En första kontroll visade att det fungerade, och uppgifterna lades fram.
Men 2010 Lawrence tittade på dessa mätningar, denna gång med Patrick Peplowski, en annan kärnfysiker vid APL. Trots 50 år av att skicka robotuppdrag till Venus, inklusive 13 atmosfäriska sonder eller landare, mycket osäkerhet om kvävekoncentrationen i Venus atmosfär, speciellt mellan 30 och 60 miles över ytan, förblev.
Det förbryllade Peplowski och Lawrence eftersom kväve är den näst vanligaste molekylen som flyter i Venus atmosfär, efter koldioxid.
"Osäkerheten fanns inte nödvändigtvis bara i MESSENGER-instrumentet - det kan vara i hela planeten, " sa Lawrence.
Lawrence kände till en tidning från 1962, dock, som föreslog neutronspektroskopi kunde hjälpa till att bestämma Venus kvävekoncentration i atmosfären. Kväve är ganska bra på att fånga upp lösa neutroner, till skillnad från kol och syre, som är några av de värsta. Så på Venus, antalet neutroner som ett instrument upptäcker bör bero på mängden atmosfäriskt kväve.
Kvävekoncentration genom Venus atmosfär. Ny analys av MESSENGER-data visar en uppgång i kvävekoncentrationen runt Venus övre molndäck ungefär 50 kilometer upp, upphävande en sedan länge hållen idé om att kväve fördelas lika överallt. Den röda linjen är en trendlinje anpassad till data från flera uppdrag, inklusive MESSENGERs data, som samlades in mellan 35 och 65 miles (60 och 100 km) hög. Kredit:Johns Hopkins APL
MESSENGER råkade bara samla in den informationen.
Paret körde en datorsimulering som delade upp planetens 60 mil tjocka atmosfär i band där de kunde manipulera kvävekoncentrationen och realistiskt modellera hur många neutroner som skulle komma att strömma ut till rymdfarkosten ovanför.
När de jämförde sina modeller med MESSENGER-data, de fann att den bästa matchningen var när atmosfäriskt kväve utgjorde 5 % av volymen, cirka 1,5 gånger det som uppmätts lägre i atmosfären. Och alla neutroner kom från en region mellan ungefär 35 och 60 miles över ytan - exakt där det hade varit som störst osäkerhet.
"Det var väldigt mycket lyckoträff, " sa Peplowski.
Varför kvävet ökar på högre höjd är fortfarande okänt. Deras upptäckt väckte mer än några ögonbryn, Peplowski sa, men inte för att folk blev blåsta.
"Många forskare verkade förvånade över att detta ens var något värt att undersöka, "Sade Peplowski. "Föreställningen att det finns en högre kvävekoncentration i den övre atmosfären än i den nedre var utanför folks tankeområde."
De hamnade i den återvändsgränden innan när de försökte få finansiering för att slutföra studien. Projektet nekades pengar tre gånger eftersom det ansågs vara en återvändsgränd. Datan de behövde för att känna sig säkra på sina resultat och driva sin studie över mållinjen kom med lycka genom Jack Wilson, en APL-forskare som just råkade analysera samma MESSENGER-data för ett icke-relaterat projekt.
Efter att teamet presenterade preliminära resultat under en konferens 2016, den ryska federala rymdorganisationen citerade deras arbete i sitt Venera-D-uppdrag för att studera Venus atmosfär och yta. För närvarande, två uppdragsförslag under övervägande för NASA:s Discovery Program—DAVINCI+ och VERITAS, Båda inkluderar APL-forskare i sina team – syftar också till att studera Venus atmosfär i större detalj.
Peplowski och Lawrence säger att detta nya resultat understryker den försiktighet som forskare behöver när de drar slutsatser om atmosfäriska data, speciellt med det växande intresset för planetariska atmosfärer i andra solsystem.
"Vi lär oss fortfarande grundläggande saker om Venus och dess atmosfär, och det är vår granne, "Sade Peplowski. "Att forskare kan tala med tillförsikt om atmosfären hos exoplaneter som är hundratals eller tusentals ljusår bort är värt att ifrågasätta."
Att dra rigorösa och övertygande slutsatser kräver ett brett spektrum av data.
Men att få den informationen kan ibland kräva lite lycka.
