Изучая химические элементы на Марсе сегодня, такие как углерод и кислород, ученые могут изучить прошлое Красной планеты, чтобы собрать воедино историю планеты, которая когда-то имела условия, необходимые для поддержания жизни.
Создание этой истории, элемент за элементом, на расстоянии примерно 225 миллионов километров является кропотливым процессом. Но ученые не из тех, кого легко сдерживать. Орбитальные аппараты и марсоходы на Марсе подтвердили, что когда-то на планете была жидкая вода, благодаря подсказкам, которые включают сухие русла рек, древние береговые линии и химию соленой поверхности. Используя марсоход NASA Curiosity, ученые нашли доказательства долгоживущих озер. Они также выкопали органические соединения или химические строительные блоки жизни. Сочетание жидкой воды и органических соединений вынуждает ученых продолжать искать на Марсе признаки прошлой или настоящей жизни.
Несмотря на соблазнительные доказательства, найденные до сих пор, понимание учеными марсианской истории все еще развивается, с несколькими основными вопросами, открытыми для обсуждения. С одной стороны, была ли древняя марсианская атмосфера достаточно толстой, чтобы поддерживать планету теплой и, таким образом, влажной в течение времени, необходимого для того, чтобы прорасти и питать жизнь? И органические соединения: они признаки жизни или химии, которая происходит, когда марсианские камни взаимодействуют с водой и солнечным светом?
В недавнем отчете Nature Astronomy о многолетнем эксперименте, проведенном химической лабораторией Curiosity под названием «Анализ образцов на Марсе» (SAM), группа ученых предлагает некоторые идеи, чтобы помочь ответить на эти вопросы. Команда обнаружила, что некоторые минералы в скалах в кратере Гейл могли образоваться в покрытом льдом озере. Эти минералы могли образоваться во время холодной стадии, зажатой между более теплыми периодами, или после того, как Марс потерял большую часть своей атмосферы и стал постоянно охлаждаться.
Гейл - кратер размером с Коннектикут и Род-Айленд вместе взятые. Он был выбран в качестве места посадки Curiosity в 2012 году, потому что там были следы воды в прошлом, в том числе глинистые минералы, которые могут помочь улавливать и сохранять древние органические молекулы. Действительно, исследуя основание горы в центре кратера, называемой горой Шарп, Curiosity обнаружило слой отложений толщиной 304 метра, который был отложен как грязь в древних озерах. Некоторые ученые говорят, что для образования такого большого количества осадков в эти озера стекает невероятное количество воды в течение миллионов или десятков миллионов теплых и влажных лет. Но некоторые геологические особенности в кратере также намекают на прошлое, которое включало холодные, ледяные условия.
«В какой-то момент на поверхности Марса произошел переход от того, чтобы быть теплым и влажным к тому, чтобы быть холодным и сухим, как это происходит сейчас, но когда именно и как это произошло, до сих пор остается загадкой», - говорит Хизер Франц, геохимик из NASA.
Франц, который руководил исследованием SAM, отмечает, что такие факторы, как изменения в наклоне Марса и уровень вулканической активности, могли привести к тому, что климат Марса со временем будет чередоваться между теплом и холодом. Эта идея подтверждается химическими и минералогическими изменениями в марсианских породах, показывающими, что некоторые слои образовывались в более холодных средах, а другие - в более теплых.В любом случае, говорит Франц, массив данных, собранных Curiosity, позволяет предположить, что команда видит доказательства изменения климата в Марсе, записанные в породах.
Углерод и кислорода в истории марсианского климата
Команда Франца нашла доказательства существования холодной древней окружающей среды после того, как лаборатория SAM извлекла углекислый газ, или CO2, и кислород из 13 образцов пыли и камней. Curiosity собирал эти образцы в течение пяти земных лет.
CO2 - это молекула с одним атомом углерода, связанным с двумя атомами кислорода, причем углерод служит ключевым свидетелем в случае загадочного марсианского климата. Фактически, этот простой, но универсальный элемент столь же важен, как и вода, в поисках жизни в другом месте. На Земле углерод непрерывно течет через воздух, воду и поверхность в хорошо понятном цикле, который зависит от жизни. Например, растения поглощают углерод из атмосферы в форме CO2. В свою очередь, они производят кислород, который люди и большинство других форм жизни используют для дыхания в процессе, который заканчивается выбросом углерода обратно в воздух, снова через CO2, или в земную кору, когда формы жизни умирают и захороняются.
Ученые также обнаружили, что на Марсе существует углеродный цикл, и они пытаются понять его. Из-за небольшого количества воды или изобилия на Красной планете в течение, по крайней мере, последних 3 миллиардов лет углеродный цикл сильно отличается от земного.
«Тем не менее, круговорот углерода все еще происходит, и он по-прежнему важен, потому что он не только помогает раскрыть информацию о древнем климате Марса», - говорит Пол Махаффи, главный исследователь SAM и директор Отдела исследования солнечной системы NASA Годдард. «Это также показывает нам, что Марс - это динамичная планета, циркулирующие элементы которой являются строительными блоками жизни, какими мы ее знаем».
Газы создают случай для холодного периода
После того, как Curiosity подавал образцы породы и пыли в SAM, лаборатория разогревала каждый до почти 1650 градусов по Фаренгейту (900 градусов по Цельсию), чтобы освободить газы внутри. Глядя на температуру в печи, в которой выделяются CO2 и кислород, ученые могли определить, из каких минералов поступают газы. Этот тип информации помогает им понять, как углерод циркулирует на Марсе.
Различные исследования показали, что древняя атмосфера Марса, содержащая в основном СО2, возможно, была толще, чем сегодня Земля. Большая часть его была потеряна в космосе, но некоторые могут храниться в скалах на поверхности планеты, особенно в форме карбонатов, которые представляют собой минералы, сделанные из углерода и кислорода. На Земле карбонаты образуются, когда CO2 из воздуха поглощается в океанах и других водоемах, а затем минерализуется в горные породы. Ученые считают, что тот же процесс произошел на Марсе и что он может помочь объяснить, что произошло с какой-то марсианской атмосферой.
Тем не менее, миссии на Марс не нашли достаточно карбонатов на поверхности, чтобы поддерживать плотную атмосферу.
Но, те немногие карбонаты, которые обнаружил SAM, открыли что-то интересное в марсианском климате благодаря хранящимся в них изотопам углерода и кислорода. Изотопы - это версии каждого элемента, которые имеют разные массы. Поскольку различные химические процессы, от формирования породы до биологической активности, используют эти изотопы в разных пропорциях, отношения тяжелых и легких изотопов в породе дают ученым ключи к пониманию того, как образовалась порода.
Ученые заметили, что в некоторых найденных карбонатах SAM изотопы кислорода были легче, чем в атмосфере Марса. Это говорит о том, что карбонаты давно не образовывались просто из атмосферного CO2, поглощенного в озеро. Если бы они имелись, изотопы кислорода в скалах были бы немного тяжелее, чем в воздухе.
Хотя возможно, что карбонаты образовались очень рано в истории Марса, когда состав атмосферы немного отличался от сегодняшнего, Франц и ее коллеги предполагают, что карбонаты, скорее всего, образовались в замерзшем озере. В этом сценарии лед мог бы всасывать тяжелые изотопы кислорода и оставлять самые легкие из них, чтобы позже образовывать карбонаты. Другие ученые миссии Curiosity также представили доказательства того, что покрытые льдом озера могли существовать в кратере Гейл.
Так, где же весь углерод?
Ученые утверждают, что низкое содержание карбонатов на Марсе вызывает недоумение. Если в кратере Гейл не так много этих минералов, возможно, ранняя атмосфера была тоньше, чем предполагалось. Или, может быть, что-то еще хранит недостающий углерод в атмосфере.
Основываясь на своем анализе, Франц и ее коллеги предполагают, что часть углерода может быть изолирована в других минералах, таких как оксалаты, которые хранят углерод и кислород в структуре, отличной от карбонатов. Их гипотеза основана на температурах, при которых CO2 выделяется из некоторых образцов внутри SAM и на различных соотношениях изотопов углерода и кислорода, чем ученые видели в карбонатах.
Оксалаты - наиболее распространенный тип органических минералов, производимых растениями на Земле. Но оксалаты также могут быть получены без биологии. Одним из способов является взаимодействие атмосферного CO2 с поверхностными минералами, водой и солнечным светом в процессе, известном как абиотический фотосинтез. Этот тип химии трудно найти на Земле, потому что здесь много жизни, но команда Франца надеется создать в лаборатории абиотический фотосинтез, чтобы выяснить, действительно ли он может быть ответственен за химию углерода, которую они видят в кратере Гейл.
На Земле абиотический фотосинтез мог проложить путь фотосинтезу среди некоторых первых микроскопических форм жизни, поэтому его обнаружение на других планетах интересует астробиологов.
Даже если выяснится, что абиотический фотосинтез заблокировал часть углерода из атмосферы в скалах в кратере Гейл, Франц и ее коллеги хотели бы изучить почву и пыль из разных частей Марса, чтобы понять, отражают ли их результаты в кратере Гейл глобальную картину. Они могут однажды получить шанс сделать это. Марсоход NASA «Perseverance», который должен быть запущен на Марс в период с июля по август 2020 года, планирует упаковать образцы из кратера Джезеро для возможного возвращения в лаборатории на Земле.
