De ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) heeft onthuld hoe ongewoonlijk 'lichte' koolstofmonoxide wordt gevormd in de atmosfeer van Mars. De ontdekking geeft een beter beeld van hoe koolstofhoudende materie op de rode planeet kan worden gevormd zonder dat er leven aanwezig is, en helpt een raadselachtige ontdekking te verduidelijken die vorig jaar door NASA’s Curiosity rover werd gedaan.
Uit de TGO-waarnemingen blijkt dat een proces in de atmosfeer van Mars - waarbij koolstofdioxide door zonlicht wordt gesplitst - koolstofmonoxide vormt dat minder 'zware' koolstof bevat dan we zouden verwachten.
Deze bevinding strookt met het idee dat een combinatie van zonlicht en complexe chemie, in plaats van leven, de koolstofverbindingen ('organische materie’) heeft doen ontstaan die we op het Marsoppervlak zien.
Koolstof op Mars opsporen
De atmosfeer van Mars bevat zowel lichte koolstof (koolstof-12, het overgrote deel van de koolstof in het zonnestelsel) als zware koolstof (de isotoop koolstof-13: een koolstof-12-atoom met een extra neutron).
Het meten van de relatieve hoeveelheden van deze isotopen kan veel onthullen over het verleden en het heden van een omgeving. Vele processen, zowel op korte als op lange termijn, beïnvloeden deze verhouding, zoals hoe stoffen uiteenvallen onder invloed van zonlicht, hoe ze ontsnappen naar de ruimte vanuit de bovenste lagen van een atmosfeer, hoe ze condenseren of veranderen in gas, en hoe ze worden geproduceerd en verbruikt door vormen van biologisch leven.
"Het meten van de koolstofisotopenverhouding in koolstofmonoxide is een krachtige manier om te begrijpen waar de organische materie van de planeet vandaan kwam en om de bewoningsgeschiedenis van Mars te onthullen," zegt Shohei Aoki van de Universiteit van Tokio en het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie, en hoofdauteur van een nieuwe paper gepubliceerd in het Planetary Science Journal.
"In 2021 bracht TGO de verhouding tussen 'normale' en 'zware' waterstof in de atmosferische waterdamp van Mars in kaart om een 'chronometer' te creëren waarmee de geschiedenis en de evolutie van het water van de planeet kan worden gevolgd. We hebben nu dezelfde aanpak toegepast op de koolstof in de atmosferische koolstofmonoxide van Mars, iets wat we alleen konden doen dankzij de uitstekende nauwkeurigheid van TGO en het vermogen om de profielen van veel verschillende moleculen te bepalen."
Shohei en collega's analyseerden gegevens die in maart-april 2022 over acht TGO-banen werden verzameld door NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery), een instrument waarvan het BIRA de hoofdonderzoeker is. NOMAD observeerde hoe de zonnestralen de atmosfeer van Mars doorkruisten, een perspectief dat de hoeveelheden, de identiteit en het koolstofgehalte van de aanwezige gassen onthulde.
Een chemische oorzaak
De nieuwe koolstofmetingen helpen een raadselachtige bevinding van NASA's Curiosity rover van vorig jaar op te helderen.
Verschillende van de 3,5 miljard jaar oude afzettingen die Curiosity op zijn landingsplaats, Gale Crater, heeft bemonsterd, bevatten verrassend weinig zware koolstof. De onderzoekers opperden enkele mogelijke oorzaken, gaande van interstellaire stofwolken die periodiek op Mars neerregenen tot oude microben die methaan opboeren. Op aarde duidt de uitputting van zware koolstof vaak op leven, omdat verschillende biologische processen bij voorkeur lichtere isotopen van koolstof gebruiken.
"Elk fenomeen op Mars dat door leven zou kunnen worden veroorzaakt is een reden tot opwinding, maar onze bevindingen wijzen in een andere richting," zegt co-auteur Yuichiro Ueno van de Tokyo Tech. University. "In plaats daarvan zien we dat de oorzaak voor de zware koolstofdepletie die zowel in de atmosferische koolstofmonoxide van Mars als in Gale Crater te zien is, chemisch zou kunnen zijn."
Moleculen van koolstofdioxide in de atmosfeer van Mars reageren op zonlicht en vallen uiteen om koolstofmonoxide te vormen dat arm is aan zware koolstof - iets wat we ook zien gebeuren in de atmosfeer van de aarde.
De onderzoekers modelleerden hoe dit proces de koolstofmonoxide op Mars zou beïnvloeden, en hun resultaten komen overeen met wat er daadwerkelijk door NOMAD op Mars is waargenomen. Deze berekeningen worden gepresenteerd in een begeleidend artikel van Yoshida et al., eveneens gepubliceerd in het Planetary Science Journal.
De resultaten komen overeen met het idee dat de atmosfeer van het vroege Mars rijk was aan koolstofmonoxide, en dat dit gas verantwoordelijk was voor de vorming van het organische materiaal dat op het oppervlak van de planeet te zien was.
Dieper dan ooit tevoren
Het gebruik van isotopenverhoudingen is een breed toepasbare manier om het heelal te verkennen; we kunnen lichamen in het hele zonnestelsel en de kosmos, zoals exoplaneten, op deze manier bestuderen om hun geschiedenis en eigenschappen te ontrafelen.
"De twee instrumenten van TGO die op gas jagen, NOMAD en de Atmospheric Chemistry Suite (ACS), doen geweldig werk door de isotopenverhoudingen in de atmosfeer van Mars in kaart te brengen", zegt Colin Wilson, ESA's ExoMars Trace Gas Orbiter projectwetenschapper.
"Een van de sterke punten van het TGO-onderzoek is dat we meerdere manieren hebben om hetzelfde te meten. We meten koolstofisotopen in verschillende moleculen door zowel NOMAD als ACS onafhankelijk van elkaar te gebruiken. In feite komen de hier gerapporteerde resultaten van NOMAD overeen met aanvullende waarnemingen en modellering van CO-isotopen door een ander team met behulp van ACS, die ook deze maand zijn gepubliceerd - dus dit geeft ons veel vertrouwen in de resultaten."
De bevindingen van Shohei en collega's onderstrepen het collaboratieve en complementaire karakter van onze missies om het zonnestelsel te verkennen. Zo zullen de TGO-resultaten wetenschappers helpen bij de interpretatie van de resultaten van Japans aanstaande missie “Martian Moon eXploration” (MMX), die monsters van Mars' maan Phobos zal terugsturen.
"Door waarnemingen van meerdere missies te combineren zullen we nieuwe details over de geschiedenis van Mars aan het licht brengen," voegt Colin eraan toe. "Op het Marsoppervlak zal de aanstaande Rosalind Franklin-rover van ESA ons helpen het oppervlak en het organisch materiaal van de planeet te begrijpen. De rover heeft unieke boormogelijkheden en een wetenschappelijk laboratorium dat door geen enkele andere missie in ontwikkeling wordt geëvenaard. We zullen dieper in Mars kunnen graven dan ooit tevoren."
Publicaties
- “Depletion of 13C in CO in the atmosphere of Mars suggested by ExoMars-TGO/NOMAD” by Aoki et al. is gepubliceerd in the Planetary Science Journal. Dit onderzoek gebruikt voornamelijk gegevens van het door België geleide NOMAD-instrument.
De modellen en waarnemingen worden ondersteund door resultaten in een begeleidend document:
- “Strong depletion of 13C in CO induced by photolysis of CO2 in the Martian atmosphere calculated by a photochemical model” by Yoshida et al. Dit document is gepubliceerd in Planetary Science Journal.
En zijn consistent met aanvullende waarnemingen en modellering van CO-isotopen door een team dat gebruik maakt van ACS:
- “Photochemical depletion of heavy CO isotopes in the Martian atmosphere” by Juan Alday et al. Dit artikel is geaccepteerd voor publicatie in Nature Astronomy.
Credit: ESA/Roscosmos/CaSSIS