När den rullar runt en gammal sjöbädd på Mars håller NASA:s Perseverance-rover på att sammanställa en unik stensamling. Den bilstora utforskaren borrar metodiskt i den röda planetens yta och drar ut kärnor av berggrund som den lagrar i robusta titanrör. Forskare hoppas att en dag återlämna rören till jorden och analysera deras innehåll för spår av inbäddat mikrobiellt liv.
Sedan den landade på Mars yta 2021 har rovern fyllt 20 av sina 43 rör med kärnor av berggrund. Nu har MIT-geologer på distans fastställt en avgörande egenskap hos de stenar som hittills samlats in, vilket kommer att hjälpa forskare att svara på nyckelfrågor om planetens förflutna.
I en studie publicerad idag (4 mars) i tidskriften Earth and Space Science , ett MIT-team rapporterar att de har bestämt den ursprungliga orienteringen för de flesta bergprover som samlats in av roveren hittills. Genom att använda roverns egna tekniska data, såsom positioneringen av fordonet och dess borr, kunde forskarna uppskatta orienteringen av varje prov av berggrunden innan det borrades ut från Mars-marken.
Resultaten representerar första gången forskare har orienterat prover av berggrund på en annan planet. Teamets metod kan tillämpas på framtida prover som rovern samlar in när den utökar sin utforskning utanför den antika bassängen. Att sammanföra orienteringen av flera stenar på olika platser kan sedan ge forskare ledtrådar till förhållandena på Mars där stenarna ursprungligen bildades.
"Det finns så många vetenskapsfrågor som är beroende av att kunna veta orienteringen av proverna vi tar tillbaka från Mars", säger studieförfattaren Elias Mansbach, doktorand vid MIT:s avdelning för jord-, atmosfär- och planetvetenskap.
"Orienteringen av stenar kan berätta något om alla magnetfält som kan ha funnits på planeten", tillägger Benjamin Weiss, professor i planetvetenskap vid MIT. "Du kan också studera hur vatten och lava flödade på planeten, riktningen för den antika vinden och tektoniska processer, som vad som lyftes och vad som sänktes. Så det är en dröm att kunna orientera berggrunden på en annan planet, för det är på väg att öppna upp så många vetenskapliga undersökningar."
Weiss och Mansbachs medförfattare är Tanja Bosak och Jennifer Fentress vid MIT, tillsammans med medarbetare vid flera institutioner inklusive Jet Propulsion Laboratory vid Caltech.
Djupgående förändring
Perseverance-rovern, med smeknamnet "Percy", utforskar golvet i Jezero Crater, en stor nedslagskrater belagd med magmatiska bergarter, som kan ha avsatts från tidigare vulkanutbrott, såväl som sedimentära bergarter som troligen har bildats från länge uttorkad floder som matade in i bassängen.
"Mars var en gång varm och våt, och det finns en möjlighet att det fanns liv där på en gång," säger Weiss. "Det är nu kallt och torrt, och något djupt måste ha hänt på planeten."
Många forskare, inklusive Weiss, misstänker att Mars, precis som jorden, en gång hade ett magnetfält som skyddade planeten från solens solvind. Förhållandena kan då ha varit gynnsamma för vatten och liv, åtminstone under en tid.
"När det magnetfältet försvann, slog solens solvind - denna plasma som kokar bort från solen och rör sig snabbare än ljudets hastighet - precis in i Mars atmosfär och kan ha tagit bort den under miljarder år", säger Weiss. "Vi vill veta vad som hände och varför."
Stenarna under Mars-ytan håller sannolikt ett rekord av planetens antika magnetfält. När stenar först bildas på en planets yta bestäms riktningen för deras magnetiska mineral av det omgivande magnetfältet. Orienteringen av stenar kan alltså hjälpa till att spåra riktningen och intensiteten av planetens magnetfält och hur det förändrades över tiden.
Sedan Perseverance-rovern samlade in prover av berggrund, tillsammans med ytjord och luft, som en del av sitt undersökningsuppdrag, letade Weiss, som är medlem i roverns vetenskapsteam, och Mansbach efter sätt att fastställa den ursprungliga orienteringen av roverns berggrund. prover som ett första steg mot att rekonstruera Mars magnetiska historia.
"Det var en fantastisk möjlighet, men till en början fanns det inget uppdragskrav för att orientera berggrunden", konstaterar Mansbach.
Rulla med det
Under flera månader träffade Mansbach och Weiss NASA-ingenjörer för att lägga fram en plan för hur man skulle uppskatta den ursprungliga orienteringen av varje prov av berggrunden innan det borrades upp ur marken. Problemet var lite som att förutsäga vilken riktning en liten cirkel av arkkakan pekar, innan du vrider in en rund kakform för att dra ut en bit. På liknande sätt, för att ta prov på berggrunden, korkskruvar Perseverance en rörformad borr i marken i en vinkelrät vinkel och drar sedan borren direkt tillbaka ut, tillsammans med eventuell sten som den penetrerar.
För att uppskatta orienteringen av berget innan det borrades upp ur marken insåg teamet att de måste mäta tre vinklar, hade, azimut och roll, som liknar stigningen, girningen och rullningen på en båt. Hade är i huvudsak provets lutning, medan azimut är den absoluta riktning som provet pekar i förhållande till sann nord. Rullen hänvisar till hur mycket ett prov måste vända innan det återgår till sin ursprungliga position.
I samtal med ingenjörer vid NASA fann MIT-geologerna att de tre vinklarna de krävde var relaterade till mätningar som rovern tar på egen hand under sin normala verksamhet. De insåg att för att uppskatta ett provs hade och azimut kunde de använda roverns mätningar av borrens orientering, eftersom de kunde anta att borrens lutning är parallell med vilket prov som helst som den extraherar.
För att uppskatta ett provs rullning utnyttjade teamet en av roverns kameror ombord, som tar en bild av ytan där borren är på väg att ta prov. De resonerade att de kunde använda vilka som helst särskiljande egenskaper på ytbilden för att bestämma hur mycket provet skulle behöva vända för att återgå till sin ursprungliga orientering.
I fall där ytan inte hade några särskiljande egenskaper använde teamet roverns laser ombord för att göra ett märke i berget, i form av bokstaven "L", innan de borrade ut ett prov – ett drag som skämtsamt hänvisades till vid tid som den första graffitin på en annan planet.
Genom att kombinera alla roverns positionerings-, orienterings- och avbildningsdata uppskattade teamet de ursprungliga orienteringarna för alla 20 bergprover från mars som hittills samlats in, med en precision som är jämförbar med att orientera stenar på jorden.
"Vi känner till orienteringarna inom 2,7 graders osäkerhet, vilket är bättre än vad vi kan göra med stenar i jorden," säger Mansbach. "Vi arbetar med ingenjörer nu för att automatisera den här orienteringsprocessen så att den kan göras med andra prover i framtiden."
"Nästa fas kommer att bli den mest spännande," säger Weiss. "Rovern kommer att köra utanför kratern för att få tag i de äldsta kända stenarna på Mars, och det är en otrolig möjlighet att kunna orientera dessa stenar och förhoppningsvis avslöja många av dessa uråldriga processer."
Mer information: Benjamin P. Weiss et al, Oriented Berggrundsprov borrade av Perseverance Rover på Mars, Earth and Space Science (2024). DOI:10.1029/2023EA003322
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
