Vatten är nödvändigt för liv på jorden och andra planeter, och forskare har funnit gott om bevis på vatten i Mars tidiga historia. Men Mars har inget flytande vatten på sin yta idag. Ny forskning från Washington University i St Louis antyder en grundläggande orsak:Mars kan vara alldeles för liten för att hålla fast vid stora mängder vatten.

Fjärranalysstudier och analyser av marsmeteoriter som går tillbaka till 1980-talet hävdar att Mars en gång var vattenrik, jämfört med jorden. NASA:s rymdfarkost Viking orbiter—och, på senare tid, Nyfikenhet och uthållighet rovers på marken – återlämnade dramatiska bilder av Mars landskap präglat av floddalar och flodkanaler.

Trots dessa bevis, inget flytande vatten finns kvar på ytan. Forskare föreslog många möjliga förklaringar, inklusive en försvagning av Mars magnetfält som kunde ha resulterat i förlusten av en tjock atmosfär.

Men en studie publicerade veckan den 20 september i Proceedings of the National Academy of Sciences föreslår en mer grundläggande anledning till varför dagens Mars ser så drastiskt annorlunda ut från jordens "blå marmor".

"Mars öde avgjordes från början, sade Kun Wang, biträdande professor i jord- och planetvetenskaper i konst och vetenskap vid Washington University, senior författare till studien. "Det finns sannolikt en tröskel för storlekskraven för steniga planeter för att behålla tillräckligt med vatten för att möjliggöra beboelighet och plattektonik, med massa som överstiger Mars."

För den nya studien, Wang och hans medarbetare använde stabila isotoper av grundämnet kalium (K) för att uppskatta närvaron, distribution och överflöd av flyktiga grundämnen på olika planetariska kroppar.

Kalium är ett måttligt flyktigt grundämne, men forskarna bestämde sig för att använda det som ett slags spårämne för mer flyktiga grundämnen och föreningar, såsom vatten. Detta är en relativt ny metod som avviker från tidigare försök att använda förhållanden mellan kalium och torium (Th) som samlats in genom fjärranalys och kemisk analys för att bestämma mängden flyktiga ämnen som Mars en gång hade. I tidigare forskning, medlemmar av forskargruppen använde en kaliumspårmetod för att studera månens bildning.

Wang och hans team mätte kaliumisotopsammansättningarna av 20 tidigare bekräftade marsmeteoriter, valt att vara representativt för den röda planetens bulksilikatsammansättning.

Genom att använda detta tillvägagångssätt, forskarna fastställde att Mars förlorade mer kalium och andra flyktiga ämnen än jorden under sin bildning, men behöll fler av dessa flyktiga ämnen än månen och asteroiden 4-Vesta, två mycket mindre och torrare kroppar än jorden och Mars.

Forskarna fann en väldefinierad korrelation mellan kroppsstorlek och kaliumisotopsammansättning.

"Orsaken till mycket lägre förekomster av flyktiga grundämnen och deras föreningar på differentierade planeter än i primitiva odifferentierade meteoriter har varit en långvarig fråga, sa Katharina Lodders, forskningsprofessor i jord- och planetvetenskap vid Washington University, en medförfattare till studien. "Fyndet av korrelationen mellan K isotopkompositioner och planetgravitationen är en ny upptäckt med viktiga kvantitativa implikationer för när och hur de differentierade planeterna tog emot och förlorade sina flyktiga ämnen."

"Marsmeteoriter är de enda proverna som är tillgängliga för oss för att studera den kemiska sammansättningen av Mars bulk, " Wang sa. "Dessa Mars meteoriter har åldrar som varierar från flera hundra miljoner till 4 miljarder år och registrerade Mars flyktiga evolution historia. Genom att mäta isotoper av måttligt flyktiga grundämnen, såsom kalium, vi kan sluta oss till graden av flyktig utarmning av bulkplaneter och göra jämförelser mellan olika solsystemkroppar.

"Det är obestridligt att det tidigare fanns flytande vatten på Mars yta, men hur mycket vatten totalt Mars en gång hade är svårt att kvantifiera enbart genom fjärranalys och roverstudier, " Wang sa. "Det finns många modeller där ute för bulkvatteninnehållet på Mars. I några av dem, tidiga Mars var ännu fuktigare än jorden. Vi tror inte att det var fallet."

Zhen Tian, en doktorand i Wangs laboratorium och en McDonnell International Academy Scholar, är första författare till tidningen. Postdoktorn Piers Koefoed är medförfattare, liksom Hannah Bloom, som tog examen från Washington University 2020. Wang och Lodders är fakultetsstipendiater vid universitetets McDonnell Center for the Space Sciences.

Fynden har konsekvenser för sökandet efter liv på andra planeter förutom Mars, konstaterade forskarna.

Att vara för nära solen (eller, för exoplaneter, att vara för nära sin stjärna) kan påverka mängden flyktiga ämnen som en planetkropp kan behålla. Denna mätning av avstånd från stjärnan räknas ofta in i index över "boliga zoner" runt stjärnor.

"Denna studie betonar att det finns ett mycket begränsat storleksintervall för planeter att ha precis tillräckligt men inte för mycket vatten för att utveckla en beboelig ytmiljö, " sa Klaus Mezger från Center for Space and Habitability vid universitetet i Bern, Schweiz, en medförfattare till studien. "Dessa resultat kommer att vägleda astronomer i deras sökande efter beboeliga exoplaneter i andra solsystem."

Wang tycker nu att för planeter som är inom beboeliga zoner, Planetstorlek bör förmodligen betonas mer och rutinmässigt övervägas när man funderar på om en exoplanet skulle kunna försörja liv.

"Storleken på en exoplanet är en av de parametrar som är lättast att bestämma, " sa Wang. "Baserat på storlek och massa, vi vet nu om en exoplanet är en kandidat för livet, eftersom en första ordningens avgörande faktor för retention av flyktiga ämnen är storlek."