En färsk studie från ESA:s Mars Express och NASA:s Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) ger nya bevis för en varm ung Mars som var värd för vatten över en geologiskt lång tidsskala, snarare än i korta episodiska skurar – något som får viktiga konsekvenser för beboelighet och möjligheten till tidigare liv på planeten.

Även om det är känt att vatten en gång har strömmat på Mars, karaktären och tidslinjen för hur och när det gjorde det är en stor öppen fråga inom planetvetenskapen.

Resultaten följer en analys av en region med relativt jämn terräng, kallas mellankraterslätter, strax norr om Hellas Basin. Med en diameter på 2300 km, Hellas Basin är en av de största identifierade nedslagskratrarna både på Mars och i solsystemet, och tros ha bildats för cirka 4 miljarder år sedan.

"Dessa slätter på den norra kanten av Hellas tolkas vanligtvis som vulkaniska, som vi ser med liknande ytor på månen, " sa Francesco Salese från IRSPS, Università "Gabriele D'Annunzio", Italien, och huvudförfattare på den nya tidningen. "Dock, vårt arbete tyder på annat. Istället, vi hittade tjocka, utbredda delar av sedimentärt berg."

Sedimentära och vulkaniska (magmatiska) bergarter bildas på olika sätt – vulkaniska, som namnet antyder, behöver aktiv vulkanism som drivs av en planets inre aktivitet, medan sedimentära bergarter vanligtvis kräver vatten. Magmatisk bergart skapas när vulkaniska avlagringar av smält berg svalnar och stelnar, medan sedimentära byggs upp när nya avlagringar av sediment bildar lager som kompakterar och hårdnar över geologiskt långa tidsskalor.

"För att skapa den typ av sedimentära slätter vi hittade vid Hellas, vi tror att en allmänt vattenhaltig miljö fanns i regionen för cirka 3,8 miljarder år sedan, " sa Salese. "Viktigt, det måste ha varat under en lång tid – i storleksordningen hundratals miljoner år."

En flyktig tonårstid?

Det finns ett par nyckelmodeller för tidig Mars – båda involverar närvaron av flytande vatten, men på väldigt olika sätt.

Vissa studier tyder på att Mars tidigaste dagar (den noachiska perioden, för över 3,7 miljarder år sedan) hade ett stadigt varmt klimat, som gjorde det möjligt för stora pooler och strömmar av vatten att existera över planetens yta. Denna vattniga värld förlorade sedan både sitt magnetiska fält och atmosfär och svalnade, förvandlas till det torra, torra värld vi ser idag.

Alternativt, snarare än att vara värd för ett varmt klimat och vattenfylld yta i evigheter, Mars kan istället bara ha upplevt korta, periodiska utbrott av värme och väta som varade i mindre än 10 000 år vardera, underlättas av en sputterande cykel av vulkanism som intermittent ökade och avtog under åren.

Båda scenarierna kan bilda några av de vattenberoende kemierna och bergmorfologierna vi ser över Mars yta, och har betydande konsekvenser för Mars både i geologisk mening – hur planeten bildades och utvecklades, om dess förflutna har något gemensamt med jordens, och dess ytas sammansättning och struktur – och i termer av potentiell beboelighet.

"Att förstå om Mars hade ett varmare och blötare klimat under en lång period är en nyckelfråga i vårt sökande efter tidigare liv på den röda planeten, " sa medförfattaren Nicolas Mangold från CNRS-INSU, Nantes universitet, Frankrike.

"Om vi ​​kan förstå hur klimatet på mars utvecklades, vi kommer att få en bättre förståelse för om livet någonsin kunde ha blomstrat, och var man kan leta efter det om det gjorde det. Vi kan också lära oss mycket om stenplaneter i allmänhet, vilket är särskilt spännande i denna era av exoplanetvetenskap, och om vår egen planet – samma processer som vi tror har varit viktiga på en ung Mars, såsom sedimentära processer, vulkanism, och effekter, har också varit avgörande på jorden."

Från bildning till erosion

Sales och kollegor använde bild- och spektroavbildningsdata från Mars Express och MRO för att skapa en detaljerad geologisk karta över området runt norra Hellas, dra nytta av så kallade "erosionsfönster" - geologiska formationer som fungerar som naturliga "borrhål" ner i slätten, avslöjar djupare material (exempel inkluderar nedslagskratrar, grabens, och utsprång).

Dessa data visade att slätterna var sammansatta av ett över 500 meter tjockt band av platt, lager, ljus sten. Bergarten uppvisade flera egenskaper som är typiska för sedimentär deponering:lådarbete, vilket är en typ av lådliknande mineralstruktur som bildas av erosion; tvärsängar, identifieras som lager av berg som skär varandra vid olika lutningar och lutningar; och plan skiktning, som visar sig som distinkt, nästan horisontella lager av berg som radar sig ovanpå varandra. Dessa var utöver stora mängder leror som kallas smektiter.

Leror är spännande kemikalier, eftersom de indikerar att en våt och därmed potentiellt beboelig miljö en gång funnits på den platsen. Leror kan också fånga organiskt material och potentiellt bevara tecken på liv.

"Dessa egenskaper tyder på att berget inte bildades från lavaflödesavlagringar utan snarare från sedimentära processer, vilket innebär att regionen en gång upplevde varma och våta förhållanden under en relativt lång tid, " sade Salese. "När den skiktade bergarten deponerades – under Noachian-perioden, för cirka 3,8 miljarder år sedan – dess omgivning måste ha varit blöt i vatten, med intensiv vätskecirkulation. Vi tror att det troligen har bildats i en sjö (lakustrin) eller bäck (alluvial) miljö, eller en kombination av båda."

Bergarten genomgick sedan en intensiv period av vulkanisk erosion under den hesperiska perioden (3,7 till 3,3 miljarder år sedan) och täcktes av vulkaniska flöden, skapa den morfologi vi ser idag. Forskarna uppskattar en minsta erosionshastighet för denna tidsperiod på en meter per miljon år – hundra gånger högre än de erosionshastigheter som uppskattats på Mars under de senaste 3 miljarderna åren.

"Detta är ytterligare bevis på en förlängd period av aktiva geologiska processer på ytan av tidiga Mars, ", tillade Mangold. "Vi kan också extrapolera våra upptäckter till resten av Mars och vara säkra på att vi förstår utvecklingen av planeten som helhet – vi tror att de globala klimatförhållandena på Noachian Mars var tillräckliga för att stödja betydande flytande vatten."

Kosmiskt samarbete

Denna studie använde data från Mars Express och MRO, som gjorde det möjligt för forskarna att utforska regionens utseende, topografi, morfologi, mineralogi, och ålder. Mer specifikt, Mars Express bilddata gjorde det möjligt för Salese och kollegor att studera slätternas geologi i regional skala, ger sammanhang för observationer i lokal skala från MRO.

Närvaron av bergmorfologier eller mineraler som antyder en våt historia pekar mot möjlig beboelighet på den platsen i det förflutna – något som är viktigt för att välja landningsplatser och områden av intresse för framtida robot- och potentiella mänskliga uppdrag till Mars.

"Detta arbete visar återigen vikten av framgångsrikt samarbete mellan olika uppdrag, och samarbete mellan ESA och NASA, sa Dmitri Titov, ESA Project Scientist för Mars Express. "Inget uppdrag skulle kunna avslöja Mars historia ensam. Genom att använda flera rymdfarkoster och olika observationstekniker, det är möjligt att karakterisera alla typer av olika geologiska processer på Mars i all deras komplexitet, och få en mer komplett bild av Mars tidiga dagar."

Detta fynd är en del av en serie försök att förstå Mars historia och planeten som helhet, utförs med Mars Express och andra rymdfarkoster – från att studera Mars tidiga klimat genom att undersöka utvecklingen av stora sjöar som en gång existerade över planetens yta, att observera Mars nuvarande väder (inklusive mystiska moln och norrsken), och karakteriserar magnetismens fickor instängda i dess skorpa.