Mars ursprung och natur är mystisk. Den har geologiskt distinkta halvklot, med släta lågland i norr och krater, höghöjd terräng i söder. Den röda planeten har också två små konstigt formade avlånga månar och en sammansättning som skiljer den från jordens.

Ny forskning från University of Colorado Boulder professor Stephen Mojzsis beskriver en trolig orsak till dessa mystiska egenskaper hos Mars:ett kolossalt nedslag med en stor asteroid tidigt i planetens historia. Denna asteroid - ungefär lika stor som Ceres, en av de största asteroiderna i solsystemet - krossad på Mars, slet av en bit av det norra halvklotet och lämnade efter sig ett arv av metalliska element i planetens inre. Kraschen skapade också en ring av steniga skräp runt Mars som senare kan ha hopat sig samman för att bilda dess månar, Phobos och Deimos.

Studien dök upp online i tidningen Geofysiska forskningsbrev , en publikation av American Geophysical Union, i juni.

"Vi visade i den här artikeln - att från dynamik och från geokemi - att vi kunde förklara dessa tre unika egenskaper hos Mars, "sade Mojzsis, professor vid CU Boulders institution för geologiska vetenskaper. "Denna lösning är elegant, i den meningen att den löser tre intressanta och enastående problem om hur Mars kom till."

Astronomer har länge undrat över dessa egenskaper. För över 30 år sedan, forskare föreslog en stor asteroidnedslag för att förklara de olika höjderna av Mars norra och södra halvklot; teorin blev känd som "single impact hypothesis." Andra forskare har föreslagit att erosion, plattektonik eller antika hav kunde ha skulpterat de distinkta landskapen. Stödet för hypotesen om enstaka effekter har ökat under de senaste åren, stöds av datasimuleringar av gigantiska påverkan.

Mojzsis trodde att genom att studera Mars inventering av metalliska element, han kanske bättre kan förstå dess mysterier. Han slog sig ihop med Ramon Brasser, en astronom vid Earth-Life Science Institute vid Tokyo Institute of Technology i Japan, att gräva i.

Teamet studerade prover från marsmeteoriter och insåg att ett överflöd av sällsynta metaller - som platina, osmium och iridium – i planetens mantel krävde en förklaring. Sådana element fångas normalt i de metalliska kärnorna i steniga världar, och deras existens antydde att Mars hade blivit beskjuten av asteroider under hela sin tidiga historia. Genom att modellera hur ett stort föremål som en asteroid skulle ha lämnat efter sig sådana element, Mojzsis och Brasser undersökte sannolikheten att en kolossal påverkan skulle kunna förklara denna metallinventering.

De två forskarna uppskattade först mängden av dessa element från marsmeteoriter, och drog slutsatsen att metallerna står för cirka 0,8 procent av Mars massa. Sedan, de använde slagsimuleringar med olika stora asteroider som slog till på Mars för att se vilken storlek asteroiden ackumulerade metallerna i den takt de förväntade sig i det tidiga solsystemet.

Baserat på deras analys, Mars metaller förklaras bäst av en massiv meteoritkollision för cirka 4,43 miljarder år sedan, följt av en lång historia av mindre effekter. I deras datasimuleringar, ett nedslag av en asteroid minst 1, 200 kilometer (745 miles) över behövdes för att deponera tillräckligt med elementen. En påverkan av denna storlek kunde också ha förändrat jordskorpan på Mars, skapar sina distinkta halvklot.

Faktiskt, Mojzsis sa, skorpan på norra halvklotet verkar vara något yngre än det gamla södra höglandet, vilket skulle stämma överens med deras resultat.

"Den överraskande delen är hur väl det passar in i vår förståelse av dynamiken i planetbildningen, sa Mojzsis, med hänvisning till den teoretiska effekten. "Ett så stort genomslagsevenemang passar elegant in i vad vi förstår från den formativa tiden."

En sådan påverkan förväntas också ha genererat en ring av material runt Mars som senare förenades till Phobos och Deimos; detta förklarar delvis varför dessa månar är gjorda av en blandning av inhemskt och icke-martiskt material.

I framtiden, Mojzsis kommer att använda CU Boulders samling av Mars-meteoriter för att ytterligare förstå Mars mineralogi och vad den kan berätta om en eventuell asteroidnedslag. En sådan påverkan borde initialt ha skapat fläckiga klumpar av asteroidmaterial och inhemsk sten från mars. Över tid, de två materialreservoarerna blandades. Genom att titta på meteoriter i olika åldrar, Mojzsis kan se om det finns ytterligare bevis för detta blandningsmönster och, därför, potentiellt ge ytterligare stöd för en urkollision.

"Goda teorier gör förutsägelser, sa Mojzsis, med hänvisning till hur effektteorin kan förutsäga hur Mars smink. Genom att studera meteoriter från Mars och koppla dem med planetbildningsmodeller, han hoppas kunna förbättra vår förståelse av hur massiv, gamla asteroider förändrade den röda planeten radikalt under dess tidigaste dagar.