Den här illustrationen visar en sjö med vatten som delvis fyller Mars Gale Crater. Den skulle ha fyllts av avrinning från snösmältning på kraterns norra kant. Bevis på gamla bäckar, delta, och sjöar som NASA:s Curiosity-rover har hittat i mönstren av sedimentära avlagringar i Gale tyder på att kratern höll en sjö som denna för mer än tre miljarder år sedan, fyllning och torkning i flera cykler under tiotals miljoner år. Kredit:NASA/JPL-Caltech/ESA/DLR/FU Berlin/MSSS
Genom att studera de kemiska grundämnena på Mars idag – inklusive kol och syre – kan forskare arbeta baklänges för att pussla ihop historien om en planet som en gång hade de förutsättningar som var nödvändiga för att stödja liv.
Att väva den här historien, element för element, från ungefär 140 miljoner miles (225 miljoner kilometer) bort är en mödosam process. Men forskare är inte den typen som lätt kan avskräckas. Orbiters och rovers på Mars har bekräftat att planeten en gång hade flytande vatten, tack vare ledtrådar som inkluderar torra flodbäddar, gamla strandlinjer, och salt ytkemi. Med hjälp av NASA:s Curiosity Rover, forskare har hittat bevis för långlivade sjöar. De har också grävt upp organiska föreningar, eller livets kemiska byggstenar. Kombinationen av flytande vatten och organiska föreningar tvingar forskare att fortsätta leta på Mars efter tecken på tidigare eller nuvarande liv.
Trots de lockande bevis som hittats hittills, forskarnas förståelse av Mars historia håller fortfarande på att utvecklas, med flera viktiga frågor öppna för debatt. För en, var den forntida marsatmosfären tillräckligt tjock för att hålla planeten varm, och därmed blöt, för den tid som krävs för att gro och vårda livet? Och de organiska föreningarna:är de tecken på liv - eller på kemi som händer när stenar från mars interagerar med vatten och solljus?
I en nyligen Natur astronomi rapport om ett flerårigt experiment utfört i kemilabbet inuti Curiositys mage, kallad Sample Analysis at Mars (SAM), ett team av forskare ger några insikter som hjälper dig att besvara dessa frågor. Teamet fann att vissa mineraler i stenar vid Gale Crater kan ha bildats i en istäckt sjö. Dessa mineraler kan ha bildats under ett kallt skede mellan varmare perioder, eller efter att Mars förlorat större delen av sin atmosfär och började bli permanent kall.
Gale är en krater lika stor som Connecticut och Rhode Island tillsammans. Den valdes ut som Curiositys landningsplats 2012 eftersom den hade tecken på tidigare vatten, inklusive lermineraler som kan hjälpa till att fånga och bevara gamla organiska molekyler. Verkligen, medan du utforskar basen av ett berg i mitten av kratern, kallas Mount Sharp, Nyfikenhet hittade ett lager av sediment 1, 000 fot (304 meter) tjock som avsattes som lera i gamla sjöar. För att bilda så mycket sediment skulle en otrolig mängd vatten ha runnit ner i dessa sjöar i miljoner till tiotals miljoner varma och fuktiga år, säger vissa forskare. Men några geologiska egenskaper i kratern antyder också ett förflutet som inkluderade kyla, isiga förhållanden.
"Vid något tillfälle, Mars ytmiljö måste ha upplevt en övergång från att vara varm och fuktig till att vara kall och torr, som det är nu, men exakt när och hur det hände är fortfarande ett mysterium, " säger Heather Franz, en NASA-geokemist baserad på NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.
Franz, som ledde SAM-studien, konstaterar att faktorer som förändringar i Mars snedställning och mängden vulkanisk aktivitet kunde ha gjort att klimatet på mars växlade mellan varmt och kallt över tiden. Denna idé stöds av kemiska och mineralogiska förändringar i Mars bergarter som visar att vissa lager bildades i kallare miljöer och andra bildades i varmare.
Hur som helst, säger Franz, den mängd data som har samlats in av Curiosity hittills tyder på att teamet ser bevis för klimatförändringar från mars som registrerats i stenar.
Den här grafiken visar vägar genom vilka kol har bytts ut mellan Mars inredning, stenar på ytan, polarkepsar, vatten och atmosfär, och den skildrar också en mekanism genom vilken den försvinner från atmosfären. Kredit:Lance Hayashida/Caltech
Kol och syre stjärna i Mars klimathistoria
Franzs team hittade bevis för en kall forntida miljö efter att SAM-labbet extraherat gaserna koldioxid, eller CO 2 , och syre från 13 damm- och stenprover. Curiosity samlade dessa prover under loppet av fem jordår (jordår kontra Mars år).
CO 2 är en molekyl av en kolatom bunden med två syreatomer, med kol som ett nyckelvittne i fallet med det mystiska klimatet på mars. Faktiskt, detta enkla men mångsidiga element är lika viktigt som vatten i sökandet efter liv någon annanstans. På jorden, kol strömmar kontinuerligt genom luften, vatten, och yta i en välförstådd cykel som hänger på livet. Till exempel, växter tar upp kol från atmosfären i form av CO 2 . I gengäld, de producerar syre, som människor och de flesta andra livsformer använder för andning i en process som slutar med att kol släpps tillbaka till luften, igen via CO 2 , eller in i jordskorpan när livsformer dör och begravs.
Forskare har upptäckt att det också finns en kolcykel på Mars och de arbetar för att förstå det. Med lite vatten eller rikligt ytliv på den röda planeten under åtminstone de senaste 3 miljarder åren, kolets kretslopp är mycket annorlunda än jordens.
"Ändå, kolkretsloppet pågår fortfarande och är fortfarande viktigt eftersom det inte bara hjälper till att avslöja information om Mars gamla klimat, säger Paul Mahaffy, huvudutredare på SAM och chef för Solar System Exploration Division vid NASA Goddard. "Det visar oss också att Mars är en dynamisk planet som cirkulerar element som är byggstenarna i livet som vi känner det."
Gaserna bygger ett fall för en kylig period
Efter att Curiosity matat in sten- och dammprover till SAM, labbet värmde upp var och en till nästan 1, 650 grader Fahrenheit (900 grader Celsius) för att frigöra gaserna inuti. Genom att titta på ugnstemperaturerna som släppte ut CO 2 och syre, forskare kunde säga vilken typ av mineraler gaserna kom ifrån. Den här typen av information hjälper dem att förstå hur kol cirkulerar på Mars.
Olika studier har föreslagit att Mars antika atmosfär, innehåller mestadels CO 2 , kan ha varit tjockare än jordens är idag. Det mesta har gått förlorat till rymden, men en del kan lagras i stenar på planetens yta, särskilt i form av karbonater, som är mineraler gjorda av kol och syre. På jorden, karbonater bildas när CO 2 från luften absorberas i haven och andra vattendrag och mineraliseras sedan till stenar. Forskare tror att samma process hände på Mars och att det kan hjälpa till att förklara vad som hände med en del av Mars atmosfär.
Än, uppdrag till Mars har inte hittat tillräckligt med karbonater i ytan för att stödja en tjock atmosfär.
Den här animerade bilden visar en 3D-modell av en karbonatmolekyl bredvid en 3D-modell av en oxalatmolekyl. Karbonatet är gjort av en kolatom som är bunden med tre syreatomer. Oxalatet är gjort av två kolatomer bundna med fyra syreatomer. Kredit:James Tralie/NASA/Goddard Space Flight Center
Ändå, de få karbonater som SAM upptäckte avslöjade något intressant om klimatet på mars genom isotoper av kol och syre som lagrats i dem. Isotoper är versioner av varje element som har olika massor. Eftersom olika kemiska processer, från stenbildning till biologisk aktivitet, använda dessa isotoper i olika proportioner, förhållandet mellan tunga och lätta isotoper i en sten ger forskarna ledtrådar om hur berget bildades.
I några av de karbonater som SAM hittats, forskare märkte att syreisotoperna var lättare än de i Mars atmosfär. Detta tyder på att karbonaterna inte bildades för länge sedan bara från atmosfärisk CO 2 absorberas i en sjö. Om de hade, syreisotoperna i bergarterna skulle ha varit något tyngre än de i luften.
Även om det är möjligt att karbonaterna bildades mycket tidigt i Mars historia, när atmosfärens sammansättning var lite annorlunda än den är idag, Franz och hennes kollegor föreslår att karbonaterna mer sannolikt bildades i en iskall sjö. I detta scenario, isen kunde ha sugit upp tunga syreisotoper och lämnat de lättaste för att senare bilda karbonater. Andra Curiosity-forskare har också presenterat bevis som tyder på att istäckta sjöar kunde ha funnits i Gale Crater.
Så var är allt kol?
Den låga mängden karbonater på Mars är förbryllande, säger forskare. Om det inte finns många av dessa mineraler vid Gale Crater, kanske var den tidiga atmosfären tunnare än förutspått. Eller kanske är det något annat som lagrar det saknade atmosfäriska kolet.
Baserat på deras analys, Franz och hennes kollegor föreslår att en del kol kan bindas i andra mineraler, som oxalater, som lagrar kol och syre i en annan struktur än karbonater. Deras hypotes är baserad på de temperaturer vid vilka CO 2 släpptes från vissa prover inuti SAM – för lågt för karbonater, men helt rätt för oxalater – och på de olika kol- och syreisotopförhållandena än vad forskarna såg i karbonaterna.
En modell av en karbonatmolekyl bredvid en oxalatmolekyl
Oxalater är den vanligaste typen av organiskt mineral som produceras av växter på jorden. Men oxalater kan också produceras utan biologi. Ett sätt är genom interaktionen av atmosfärisk CO 2 med ytmineraler, vatten, och solljus, i en process som kallas abiotisk fotosyntes. Den här typen av kemi är svår att hitta på jorden eftersom det finns rikligt med liv här, men Franzs team hoppas kunna skapa abiotisk fotosyntes i labbet för att ta reda på om det faktiskt kan vara ansvarigt för kolkemin de ser i Gale Crater.
På jorden, abiotisk fotosyntes kan ha banat väg för fotosyntes bland några av de första mikroskopiska livsformerna, vilket är anledningen till att hitta det på andra planeter intresserar astrobiologer.
Även om det skulle visa sig att abiotisk fotosyntes låste in lite kol från atmosfären i stenar vid Gale Crater, Franz och hennes kollegor skulle vilja studera jord och damm från olika delar av Mars för att förstå om deras resultat från Gale Crater speglar en global bild. De kanske en dag får en chans att göra det. NASA:s Perseverance Mars rover, på grund av uppskjutning till Mars mellan juli och augusti 2020, planerar att packa upp prover i Jezero Crater för eventuell återgång till laboratorier på jorden.
