Långt innan NASA:s Perseverance-rover landade på den röda planeten den 18 februari, ett av dess högsta missionsmål var redan etablerat:att söka efter tecken på forntida liv på Mars yta. Faktiskt, de tekniker som används av ett av de vetenskapliga instrumenten ombord på rover kan ha tillämpningar på Saturnus månar Enceladus och Titan samt Jupiters måne Europa.

"Uthållighet kommer att leta efter en inköpslista med mineraler, organiska, och andra kemiska föreningar som kan avslöja mikrobiellt liv en gång trivdes på Mars, sa Luther Beegle, huvudutredare för Mars 2020's Scanning Habitable Environments med instrumentet Raman &Luminescence for Organics &Chemicals (SHERLOC). "Men tekniken bakom SHERLOC som kommer att leta efter tidigare liv i Mars bergarter är mycket adaptiv och kan också användas för att söka efter levande mikrober och de kemiska byggstenarna för liv i djupisen på månarna Saturnus och Jupiter."

Enceladus, Europa, och till och med den disiga månen Titan tros dölja stora oceaner av flytande vatten som innehåller kemiska föreningar associerade med biologiska processer under deras tjocka isiga yttre - mycket olika miljöer från moderna Mars. Om det finns mikrobiellt liv i dessa vatten, forskare kanske kan hitta bevis på det i isen också. Men hur hittar man det beviset om det är låst djupt i isen?

Ange WATSON. Förkortning för Wireline Analysis Tool for the Subsurface Observation of Northern in sheets, den 3,9 fot långa (1,2 meter långa) rörliknande prototypen håller på att utvecklas vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien. Den har kopplats till Honeybee Robotics' Planetary Deep Drill, och denna kombination testades framgångsrikt i den extrema kylan på Grönlands is.

En mindre version av WATSON skulle en dag kunna åka ombord på ett framtida robotuppdrag för att utforska potentialen för beboelighet hos en av dessa gåtfulla månar. Instrumentet skulle skanna in i isen på jakt efter biosignaturer – organiska molekyler skapade av biologiska processer. Skulle den upptäcka någon, en framtida version av WATSON, med den ytterligare förmågan att samla is från borrhålsväggen, kunde sedan samla in prover för vidare studier.

Genom att använda Raman-spektroskopi med djup ultraviolett laser för att analysera materialen där de finns, istället för att omedelbart hämta isprover och sedan studera dem på månens yta, instrumentet skulle ge forskarna ytterligare information om dessa prover genom att studera var de befinner sig i sin miljö.

"Det skulle vara bra om vi först studerade hur dessa prover faktiskt såg ut i sin naturliga miljö innan vi ösade och blandade dem till en slurry för testning, sa Mike Malaska, en astrobiolog vid JPL och huvudforskaren för WATSON. "Det är därför vi utvecklar detta icke-invasiva instrument för användning i isiga miljöer:för att få en djup titt in i isen och identifiera kluster av organiska föreningar – kanske till och med mikrober – så att de kan studeras innan vi analyserar dem ytterligare och förlorar deras ursprungligt sammanhang eller modifiera deras struktur."

Även om WATSON använder samma teknik som Perseverances SHERLOC, det finns skillnader. För en, SHERLOC kommer att analysera berg och sediment från mars för att leta efter tecken på tidigare mikrobiellt liv som kan samlas in och återföras till jorden genom framtida uppdrag för djupare studier. Och SHERLOC borrar inte hål. Ett separat verktyg gör det.

Men båda förlitar sig på en djup-ultraviolett laser och spektrometer, och där WATSON-isinstrumentet har en bildapparat för att observera texturen och partiklarna i isväggen, Perseverances SHERLOC är ihopkopplad med en högupplöst kamera för att ta närbilder av stenstrukturer för att stödja dess observationer. Den kameran råkar ha samma namn som den isutforskande prototypen:WATSON. I detta fall, fastän, akronymen står för Wide Angle Topographic Sensor for Operations and Engineering. (Trots allt, alla instrument med ett namn som är inspirerat av den berömda fiktiva detektiven Sherlock Holmes är skyldig att inspirera referenser till hans partner.)

Enceladus på jorden

Precis som SHERLOC genomgick omfattande tester på jorden innan han åkte till Mars, så måste WATSON innan det skickas till det yttre solsystemet. För att se hur instrumentet kan fungera i Enceladus isiga skorpa och månens extremt låga temperaturer, WATSON-teamet valde Grönland som en "jordanalog" för fälttester av prototypen under en kampanj 2019.

Jordanaloger delar liknande egenskaper med andra platser i vårt solsystem. När det gäller Grönland, miljön nära mitten av öns inlandsis och bort från kusten närmar sig ytan av Enceladus där havsmaterial bryter ut från den lilla månens produktiva öppningar och regnar ner. Den manglade isen vid kanten av Grönlands glaciärer nära kusten, under tiden, kan fungera som en analog för Europas böjda djupa isiga skorpa.

Under kampanjen för att utforska ett befintligt borrhål nära Summit Station, en fjärrobservationsstation på hög höjd på Grönland, instrumentet sattes genom sina steg. När den gick ner mer än 330 fot (100 meter), WATSON använde sin UV-laser för att belysa isens väggar, får vissa molekyler att glöda. Spektrometern mätte sedan deras svaga glöd för att ge teamet insikt i deras struktur och sammansättning.

Även om det inte kom som en överraskning att hitta biosignaturer i Grönlands ispack – testerna var på jorden, trots allt – kartläggningen av deras utbredning längs väggarna i det djupa borrhålet väckte nya frågor om hur dessa egenskaper kommit dit de är. Teamet upptäckte att mikrober djupt inne i isen tenderar att klumpa ihop sig i klumpar, inte i lager som de ursprungligen förväntade sig.

"Vi skapade kartor när WATSON skannade sidorna av borrhålet och klustrade hotspots av blågröna och röda - alla representerade olika typer av organiskt material, ", sa Malaska. "Och det som var intressant för mig var att fördelningen av dessa hotspots var i stort sett densamma överallt vi tittade:Oavsett om kartan skapades på 10 eller 100 meter [33 eller 330 fot] på djupet, dessa kompakta små blobbar fanns där."

Genom att mäta spektralsignaturerna för dessa hotspots, teamet identifierade färger som överensstämmer med aromatiska kolväten (vissa som kan härröra från luftföroreningar), ligniner (föreningar som hjälper till att bygga cellväggar i växter), och andra biologiskt producerade material (såsom komplexa organiska syror som också finns i jordar). Dessutom, instrumentet registrerade signaturer som liknar den glöd som produceras av kluster av mikrober.

Det finns fler tester att göra – helst, i andra jordanaloger som approximerar förhållandena för andra isiga månar – men teamet uppmuntrades av hur känsligt WATSON var för en så stor variation av biosignaturer. Denna höga känslighet skulle vara användbar vid uppdrag till havsvärldar, där distributionen och densiteten för eventuella biosignaturer är okänd, sa Rohit Bhartia, huvudutredare för WATSON och biträdande huvudutredare för SHERLOC, av fotonsystem i Covina, Kalifornien. "Om vi ​​skulle ta ett slumpmässigt urval, vi kommer sannolikt att missa något mycket intressant, men genom våra första fälttester, vi kan bättre förstå fördelningen av organiska ämnen och mikrober i terrestra is som kan hjälpa oss när vi borrar i Enceladus skorpa."

Resultaten av fälttestet publicerades i tidskriften Astrobiologi hösten 2020 och presenterades vid American Geophysical Union Fall Meeting 2020 den 11 december.