Woda jest niezbędna do życia na Ziemi i innych planetach, a naukowcy znaleźli wiele dowodów na istnienie wody we wczesnej historii Marsa. Ale Mars nie ma dziś na swojej powierzchni wody w stanie ciekłym. Nowe badania z Washington University w St. Louis sugerują fundamentalny powód: Mars może być po prostu zbyt mały, aby utrzymać duże ilości wody.
Badania i analizy z wykorzystaniem teledetekcji meteorytów marsjańskich datowane na lata 80. XX wieku wskazują, że Mars był niegdyś bogaty w wodę w porównaniu z Ziemią. Należący do NASA statek kosmiczny Viking – a ostatnio łaziki Curiosity i Perseverance na ziemi – zwróciły dramatyczne obrazy marsjańskich krajobrazów naznaczonych dolinami rzek i kanałami powodziowymi.
Pomimo tych dowodów na powierzchni nie pozostaje woda w stanie ciekłym. Naukowcy zaproponowali wiele możliwych wyjaśnień, w tym osłabienie pola magnetycznego Marsa, które mogło spowodować utratę gęstej atmosfery.
Ale badanie opublikowane 20 września w Proceedings of the National Academy of Sciences sugeruje bardziej fundamentalny powód, dla którego dzisiejszy Mars tak drastycznie różni się od „niebieskiego marmuru” Ziemi.
„Los Marsa został przesądzony od samego początku” – powiedział Kun Wang, adiunkt nauk o Ziemi i planetologii w Arts & Sciences na Washington University, starszy autor badania. „Prawdopodobnie istnieje próg wymagań wielkości planet skalistych, aby zatrzymać wystarczającą ilość wody, aby umożliwić zamieszkiwanie i tektonikę płyt, o masie przekraczającej masę Marsa”.
W nowych badaniach Wang i jego współpracownicy wykorzystali stabilne izotopy pierwiastka potasu (K), aby oszacować obecność, rozkład i obfitość pierwiastków lotnych na różnych ciałach planetarnych.
Potas jest pierwiastkiem umiarkowanie lotnym, ale naukowcy postanowili wykorzystać go jako rodzaj znacznika dla bardziej lotnych pierwiastków i związków, takich jak woda. Jest to stosunkowo nowa metoda, która odbiega od wcześniejszych prób wykorzystania stosunków potasu do toru (Th) zebranych za pomocą teledetekcji i analizy chemicznej w celu określenia ilości substancji lotnych, które niegdyś posiadał Mars. W poprzednich badaniach członkowie grupy badawczej wykorzystali metodę znacznika potasu do zbadania powstawania księżyca.
Wang i jego zespół zmierzyli skład izotopów potasu 20 wcześniej potwierdzonych meteorytów marsjańskich, wybranych jako reprezentatywne dla składu krzemianowego masy czerwonej planety.
Korzystając z tego podejścia, naukowcy ustalili, że Mars stracił podczas formowania więcej potasu i innych substancji lotnych niż Ziemia, ale zachował ich więcej niż Księżyc i asteroida 4-Vesta, dwa znacznie mniejsze i suchsze ciała niż Ziemia i Mars.
Naukowcy odkryli dobrze określoną korelację między wielkością ciała a składem izotopowym potasu.
„Przyczyna znacznie mniejszej obfitości pierwiastków lotnych i ich związków w zróżnicowanych planetach niż w prymitywnych, niezróżnicowanych meteorytach była od dawna kwestią” – powiedziała Katharina Lodders, profesor nauk o Ziemi i planetologii na Uniwersytecie Waszyngtońskim, współautorka badania. „Odkrycie korelacji składu izotopów K z grawitacją planety jest nowym odkryciem z ważnymi implikacjami ilościowymi dotyczącymi tego, kiedy i jak zróżnicowane planety otrzymywały i traciły swoje substancje lotne”.
„Meteoryty marsjańskie są jedynymi dostępnymi nam próbkami do badania składu chemicznego masy Marsa” – powiedział Wang. Te marsjańskie meteoryty mają wiek od kilkuset milionów do 4 miliardów lat i zarejestrowały historię niestabilnej ewolucji Marsa. Mierząc izotopy umiarkowanie lotnych pierwiastków, takich jak potas, możemy wywnioskować stopień ubytku lotnych planet i dokonać porównań między różnymi ciałami Układu Słonecznego.
„Jest bezsporne, że kiedyś na powierzchni Marsa znajdowała się woda w stanie ciekłym, ale ile wody w sumie miał kiedyś Mars, trudno oszacować wyłącznie za pomocą teledetekcji i badań łazików” – powiedział Wang. „Istnieje wiele modeli zawartości wody na Marsie. W niektórych z nich wczesny Mars był nawet bardziej wilgotny niż Ziemia. Nie wierzymy, że tak było”.
Pierwszym autorem artykułu jest Zhen Tian, absolwent laboratorium Wanga i stypendysta McDonnell International Academy. Współautorem jest doktor habilitowany Piers Koefoed, podobnie jak Hannah Bloom, która w 2020 roku ukończyła Washington University. Wang i Lodders są stypendystami uniwersyteckiego McDonnell Center for the Space Sciences.
Naukowcy zauważyli, że odkrycia mają znaczenie dla poszukiwania życia na innych planetach poza Marsem.
Przebywanie zbyt blisko Słońca (lub, w przypadku egzoplanet, zbyt blisko swojej gwiazdy) może wpływać na ilość substancji lotnych, które ciało planetarne może zatrzymać. Ten pomiar odległości od gwiazdy jest często uwzględniany w indeksach „stref nadających się do zamieszkania” wokół gwiazd.
„Badanie to podkreśla, że istnieje bardzo ograniczony zakres rozmiarów, w których planety mają wystarczająco dużo, ale nie za dużo wody, aby stworzyć nadające się do zamieszkania środowisko powierzchniowe” – powiedział Klaus Mezger z Centrum Przestrzeni Kosmicznej i Zamieszkania na Uniwersytecie w Bernie w Szwajcarii. współautor opracowania. „Wyniki te poprowadzą astronomów w poszukiwaniu egzoplanet nadających się do zamieszkania w innych układach słonecznych”.
Wang uważa teraz, że w przypadku planet, które znajdują się w strefach zamieszkałych, rozmiar planety prawdopodobnie powinien być bardziej podkreślany i rutynowo rozważany, czy egzoplaneta może podtrzymywać życie.
„Rozmiar egzoplanety to jeden z parametrów, który najłatwiej określić” – powiedział Wang. „W oparciu o rozmiar i masę wiemy teraz, czy egzoplaneta jest kandydatem do życia, ponieważ czynnikiem decydującym pierwszego rzędu o retencji lotnej jest rozmiar”.
