Marsforskare brottas med ett problem. Gott om bevis säger att forntida Mars ibland var blöt, med vatten som rinner och samlas på planetens yta. Än, den antika solen var ungefär en tredjedel mindre varm och klimatmodeller kämpar för att skapa scenarier som får Mars yta tillräckligt varm för att hålla vattnet ofruset.

En ledande teori är att ha en tjockare koldioxidatmosfär som bildar en växthusgasfilt, hjälper till att värma upp ytan på forntida Mars. Dock, enligt en ny analys av data från NASA:s Mars-rover Curiosity, Mars hade alldeles för lite koldioxid för cirka 3,5 miljarder år sedan för att ge tillräckligt med uppvärmning av växthuseffekten för att tina vattenis.

Samma berggrund från mars där Curiosity hittade sediment från en forntida sjö där mikrober kunde ha frodats är källan till bevisen som bidrar till frågan om hur en sådan sjö kunde ha existerat. Curiosity upptäckte inga karbonatmineraler i proverna av berggrunden den analyserade. Den nya analysen drar slutsatsen att bristen på karbonater i berggrunden betyder Mars atmosfär när sjön existerade - för cirka 3,5 miljarder år sedan - inte kunde ha rymt mycket koldioxid.

"Vi har blivit särskilt slagna av frånvaron av karbonatmineraler i sedimentär bergart som roveren har undersökt, "säger Thomas Bristow från NASA:s Ames Research Center, Moffett Field, Kalifornien. "Det skulle vara riktigt svårt att få flytande vatten även om det fanns hundra gånger mer koldioxid i atmosfären än vad mineralbevisen i berget säger oss." Bristow är huvudutredare för instrumentet Chemistry and Mineralogy (CheMin) på nyfikenhet och huvudförfattare till studien som publiceras denna vecka i Proceedings of the National Academy of Science .

Curiosity har inte gjort någon definitiv upptäckt av karbonater i några bergarter som tagits i sjöbotten sedan den landade i Gale Crater 2011. CheMin kan identifiera karbonat om det bara utgör några procent av berget. Den nya analysen av Bristow och 13 medförfattare beräknar den maximala mängden koldioxid som kunde ha förekommit, överensstämmer med bristen på karbonat.

I vatten, koldioxid kombineras med positivt laddade joner som magnesium och järn och bildar karbonatmineraler. Andra mineraler i samma bergarter indikerar att de jonerna var lättillgängliga. De andra mineralerna, såsom magnetit och lermineraler, ger också bevis för att efterföljande förhållanden aldrig blev så sura att karbonater skulle ha lösts upp, som de kan i surt grundvatten.

Dilemmat har byggts upp i åratal:Bevis om faktorer som påverkar yttemperaturerna – främst energin som tas emot från den unga solen och täckningen som tillhandahålls av planetens atmosfär – läggs till en obalans med utbredda bevis för flodnätverk och sjöar på forntida Mars. Ledtrådar som isotopförhållanden i dagens Mars -atmosfär indikerar att planeten en gång hade en mycket tätare atmosfär än den gör nu. Ändå kämpar teoretiska modeller av det forntida Mars -klimatet för att producera förhållanden som skulle tillåta flytande vatten på Mars -ytan i många miljoner år. En framgångsrik modell föreslår en tjock koldioxidatmosfär som också innehåller molekylärt väte. Hur en sådan atmosfär skulle skapas och upprätthållas, dock, är kontroversiellt.

Den nya studien fäster pusslet till en viss plats och tid, med en kontroll på marken för karbonater i exakt samma sediment som har rekordet för en sjö ungefär en miljard år efter att planeten bildades.

Under de senaste två decennierna, forskare har använt spektrometrar på Mars orbiters för att söka efter karbonat som kunde ha uppstått från en tidig era av mer rikligt med koldioxid. De har hittat mycket mindre än väntat.

"Det har varit ett mysterium varför det inte har setts mycket karbonat från omloppsbanan, " sa Bristow. "Du kan komma ur problemet genom att säga att karbonaterna fortfarande kan finnas där, men vi kan bara inte se dem från omloppsbana eftersom de är täckta av damm, eller begravd, eller så letar vi inte på rätt ställe. Resultaten från Curiosity sätter paradoxen i fokus. Det här är första gången vi har kollat ​​efter karbonater på marken i en sten som vi vet bildad från sediment avsatta under vatten."

Den nya analysen drar slutsatsen att inte mer än några tiotals millibar koldioxid kunde ha förekommit när sjön fanns, eller så skulle den ha producerat tillräckligt med karbonat för att Curiositys CheMin skulle kunna upptäcka det. En millibar är en tusendel av lufttrycket vid havsnivån på jorden. Mars nuvarande atmosfär är mindre än 10 millibar och cirka 95 procent koldioxid.

"Denna analys passar med många teoretiska studier om att Mars yta, även så länge sedan, var inte tillräckligt varmt för att vattnet skulle vara flytande, "sade Robert Haberle, en Mars-klimatforskare vid NASA Ames och en medförfattare till tidningen. "Det är verkligen ett pussel för mig."

Forskare utvärderar flera idéer för hur man kan förena dilemmat.

"Vissa tror att sjön kanske inte var en öppen vätskeform. Kanske var den vätska täckt med is, " Sa Haberle. "Du kunde fortfarande få igenom några sediment att samlas i sjöbotten om isen inte var för tjock."

En nackdel med den förklaringen är att roverteamet har sökt och inte hittat bevis i Gale Crater som kan förväntas från istäckta sjöar, som stora och djupa sprickor som kallas iskilar, eller "droppstenar, "som blir inbäddade i mjuka sjö sediment när de tränger igenom tunnare is.

Om sjöarna inte var frusna, pusslet görs mer utmanande av den nya analysen av vad avsaknaden av karbonatdetektering av Curiosity innebär om den forntida Mars-atmosfären.

"Kuriositeten går genom bäckar, delta, och hundratals vertikala fot av lera avsatt i gamla sjöar kräver ett kraftfullt hydrologiskt system som försörjer vattnet och sedimentet för att skapa stenarna vi hittar, " sa Curiosity Project-forskaren Ashwin Vasavada från NASA:s Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Kalifornien. "Koldioxid, blandat med andra gaser som väte, har varit den ledande kandidaten för det uppvärmningsinflytande som behövs för ett sådant system. Detta överraskande resultat verkar ta det ur spelet."

När två rader av vetenskapliga bevis verkar oförenliga, scenen kan vara inställd för ett framsteg när det gäller att förstå varför de inte är det. Uppdraget Curiosity fortsätter att undersöka forntida miljöförhållanden på Mars.