Questa illustrazione mostra un lago d'acqua che riempie parzialmente il cratere Gale di Marte. Sarebbe stato riempito dal deflusso della neve che si scioglieva sul bordo settentrionale del cratere. Testimonianze di antichi torrenti, delta, e laghi che il rover Curiosity della NASA ha trovato nei modelli di depositi sedimentari in Gale suggerisce che il cratere conteneva un lago come questo più di tre miliardi di anni fa, riempimento ed essiccazione in più cicli nell'arco di decine di milioni di anni. Credito:NASA/JPL-Caltech/ESA/DLR/FU Berlino/MSSS
Studiando gli elementi chimici su Marte oggi, inclusi carbonio e ossigeno, gli scienziati possono lavorare a ritroso per ricostruire la storia di un pianeta che un tempo aveva le condizioni necessarie per sostenere la vita.
Tessendo questa storia, elemento per elemento, da circa 140 milioni di miglia (225 milioni di chilometri) di distanza è un processo scrupoloso. Ma gli scienziati non sono il tipo che si lascia scoraggiare facilmente. Orbiter e rover su Marte hanno confermato che un tempo il pianeta aveva acqua liquida, grazie a indizi che includono letti di fiumi asciutti, antichi litorali, e chimica della superficie salata. Usando il Curiosity Rover della NASA, gli scienziati hanno trovato prove per laghi longevi. Hanno anche dissotterrato composti organici, o gli elementi costitutivi chimici della vita. La combinazione di acqua liquida e composti organici costringe gli scienziati a continuare a cercare su Marte segni di vita passata o presente.
Nonostante le prove allettanti trovate finora, la comprensione della storia marziana da parte degli scienziati è ancora in fase di sviluppo, con alcune importanti questioni aperte al dibattito. Per uno, era l'antica atmosfera marziana abbastanza densa da mantenere caldo il pianeta, e così bagnato, per il tempo necessario a germogliare e coltivare la vita? E i composti organici:sono segni di vita o di chimica che si verifica quando le rocce marziane interagiscono con l'acqua e la luce solare?
In un recente Astronomia della natura relazione su un esperimento pluriennale condotto nel laboratorio di chimica all'interno della pancia di Curiosity, chiamato Analisi del campione su Marte (SAM), un team di scienziati offre alcuni spunti per aiutare a rispondere a queste domande. Il team ha scoperto che alcuni minerali nelle rocce del cratere Gale potrebbero essersi formati in un lago coperto di ghiaccio. Questi minerali potrebbero essersi formati durante una fase fredda inserita tra periodi più caldi, o dopo che Marte ha perso la maggior parte della sua atmosfera e ha cominciato a diventare permanentemente freddo.
Gale è un cratere delle dimensioni del Connecticut e del Rhode Island messi insieme. È stato selezionato come sito di atterraggio di Curiosity nel 2012 perché aveva segni di acqua passata, compresi i minerali argillosi che potrebbero aiutare a intrappolare e preservare antiche molecole organiche. Infatti, mentre esplori la base di una montagna al centro del cratere, chiamato Monte Sharp, La curiosità ha trovato uno strato di sedimenti 1, 000 piedi (304 metri) di spessore che è stato depositato come fango in antichi laghi. Per formare così tanti sedimenti, un'incredibile quantità di acqua sarebbe defluita in quei laghi per milioni o decine di milioni di anni caldi e umidi, dicono alcuni scienziati. Ma alcune caratteristiche geologiche del cratere suggeriscono anche un passato che includeva freddo, condizioni di ghiaccio.
"Ad un certo punto, L'ambiente superficiale di Marte deve aver subito una transizione dall'essere caldo e umido a essere freddo e secco, com'è adesso, ma esattamente quando e come ciò sia accaduto è ancora un mistero, "dice Heather Franz, un geochimico della NASA con sede presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland.
Francesco, che ha condotto lo studio SAM, osserva che fattori come i cambiamenti nell'obliquità di Marte e la quantità di attività vulcanica potrebbero aver causato l'alternanza del clima marziano tra caldo e freddo nel tempo. Questa idea è supportata da cambiamenti chimici e mineralogici nelle rocce marziane che mostrano che alcuni strati si sono formati in ambienti più freddi e altri si sono formati in quelli più caldi.
In ogni caso, dice Francesco, la serie di dati raccolti finora da Curiosity suggerisce che il team sta vedendo prove del cambiamento climatico marziano registrato nelle rocce.
Questo grafico mostra i percorsi attraverso i quali il carbonio è stato scambiato tra gli interni marziani, rocce superficiali, calotte polari, acque e atmosfera, e raffigura anche un meccanismo per cui si perde dall'atmosfera. Credito:Lance Hayashida/Caltech
Stella di carbonio e ossigeno nella storia del clima marziano
Il team di Franz ha trovato prove di un ambiente antico e freddo dopo che il laboratorio SAM ha estratto i gas anidride carbonica, o CO 2 , e ossigeno da 13 campioni di polvere e roccia. Curiosity ha raccolto questi campioni nel corso di cinque anni terrestri (anni terrestri contro anni marziani).
CO 2 è una molecola di un atomo di carbonio legata a due atomi di ossigeno, con il carbonio che funge da testimone chiave nel caso del misterioso clima marziano. Infatti, questo elemento semplice ma versatile è fondamentale quanto l'acqua nella ricerca della vita altrove. Sulla terra, il carbonio scorre continuamente nell'aria, acqua, e affiorano in un ciclo ben compreso che fa perno sulla vita. Per esempio, le piante assorbono carbonio dall'atmosfera sotto forma di CO 2 . In cambio, producono ossigeno, che gli esseri umani e la maggior parte delle altre forme di vita usano per la respirazione in un processo che termina con il rilascio di carbonio nell'aria, di nuovo tramite CO 2 , o nella crosta terrestre quando le forme di vita muoiono e vengono sepolte.
Gli scienziati stanno scoprendo che c'è anche un ciclo del carbonio su Marte e stanno lavorando per capirlo. Con poca acqua o abbondante vita di superficie sul Pianeta Rosso da almeno 3 miliardi di anni, il ciclo del carbonio è molto diverso da quello terrestre.
"Tuttavia, il ciclo del carbonio è ancora in corso ed è ancora importante perché non solo aiuta a rivelare informazioni sull'antico clima di Marte, "dice Paul Mahaffy, investigatore principale su SAM e direttore della Divisione di esplorazione del sistema solare presso la NASA Goddard. "Ci sta anche mostrando che Marte è un pianeta dinamico che fa circolare elementi che sono gli elementi costitutivi della vita come la conosciamo".
I gas creano un caso per un periodo freddo
Dopo che Curiosity ha alimentato campioni di roccia e polvere nel SAM, il laboratorio ha riscaldato ciascuno a quasi 1, 650 gradi Fahrenheit (900 gradi Celsius) per liberare i gas all'interno. Osservando le temperature del forno che hanno rilasciato la CO 2 e ossigeno, gli scienziati potevano dire da che tipo di minerali provenivano i gas. Questo tipo di informazioni li aiuta a capire come sta circolando il carbonio su Marte.
Vari studi hanno suggerito che l'antica atmosfera di Marte, contenente principalmente CO 2 , potrebbe essere stato più spesso di quello della Terra oggi. La maggior parte è stata persa nello spazio, ma alcuni possono essere immagazzinati nelle rocce sulla superficie del pianeta, in particolare sotto forma di carbonati, che sono minerali fatti di carbonio e ossigeno. Sulla terra, i carbonati sono prodotti quando CO 2 dall'aria viene assorbito negli oceani e in altri corpi idrici e quindi mineralizzato in rocce. Gli scienziati pensano che lo stesso processo sia avvenuto su Marte e che potrebbe aiutare a spiegare cosa è successo a parte dell'atmosfera marziana.
Ancora, le missioni su Marte non hanno trovato abbastanza carbonati in superficie per supportare un'atmosfera densa.
Questa immagine animata mostra un modello 3D di una molecola di carbonato accanto a un modello 3D di una molecola di ossalato. Il carbonato è costituito da un atomo di carbonio legato a tre atomi di ossigeno. L'ossalato è costituito da due atomi di carbonio legati a quattro atomi di ossigeno. Credito:James Tralie/NASA/Goddard Space Flight Center
Ciò nonostante, i pochi carbonati che SAM ha rilevato hanno rivelato qualcosa di interessante sul clima marziano attraverso gli isotopi di carbonio e ossigeno in essi immagazzinati. Gli isotopi sono versioni di ciascun elemento che hanno masse diverse. Poiché diversi processi chimici, dalla formazione rocciosa all'attività biologica, utilizzare questi isotopi in proporzioni diverse, i rapporti tra isotopi pesanti e leggeri in una roccia forniscono agli scienziati indizi su come si è formata la roccia.
In alcuni dei carbonati SAM trovati, gli scienziati hanno notato che gli isotopi dell'ossigeno erano più leggeri di quelli dell'atmosfera marziana. Ciò suggerisce che i carbonati non si siano formati molto tempo fa semplicemente dalla CO . atmosferica 2 assorbito in un lago. Se avessero, gli isotopi dell'ossigeno nelle rocce sarebbero stati leggermente più pesanti di quelli nell'aria.
Sebbene sia possibile che i carbonati si siano formati molto presto nella storia di Marte, quando la composizione atmosferica era un po' diversa da oggi, Franz e i suoi colleghi suggeriscono che i carbonati si siano formati più probabilmente in un lago ghiacciato. In questo scenario, il ghiaccio potrebbe aver risucchiato isotopi di ossigeno pesanti e lasciato quelli più leggeri per formare successivamente carbonati. Altri scienziati di Curiosity hanno anche presentato prove che suggeriscono che i laghi coperti di ghiaccio potrebbero essere esistiti nel cratere Gale.
Allora dov'è tutto il carbonio?
La scarsa abbondanza di carbonati su Marte è sconcertante, dicono gli scienziati. Se non ci sono molti di questi minerali al Gale Crater, forse l'atmosfera iniziale era più sottile del previsto. O forse qualcos'altro sta immagazzinando il carbonio atmosferico mancante.
Sulla base della loro analisi, Franz e i suoi colleghi suggeriscono che del carbonio potrebbe essere sequestrato in altri minerali, come ossalati, che immagazzinano carbonio e ossigeno in una struttura diversa rispetto ai carbonati. La loro ipotesi si basa sulle temperature alle quali la CO 2 è stato rilasciato da alcuni campioni all'interno di SAM, troppo basso per i carbonati, ma giusto per gli ossalati e sui diversi rapporti di isotopi di carbonio e ossigeno rispetto a quelli che gli scienziati hanno visto nei carbonati.
Un modello di una molecola di carbonato accanto a una molecola di ossalato
Gli ossalati sono il tipo più comune di minerale organico prodotto dalle piante sulla Terra. Ma gli ossalati possono essere prodotti anche senza biologia. Un modo è attraverso l'interazione della CO . atmosferica 2 con minerali di superficie, acqua, e la luce del sole, in un processo noto come fotosintesi abiotica. Questo tipo di chimica è difficile da trovare sulla Terra perché qui c'è vita abbondante, ma il team di Franz spera di creare la fotosintesi abiotica in laboratorio per capire se effettivamente potrebbe essere responsabile della chimica del carbonio che stanno vedendo nel cratere Gale.
Sulla terra, la fotosintesi abiotica potrebbe aver aperto la strada alla fotosintesi tra alcune delle prime forme di vita microscopiche, motivo per cui trovarlo su altri pianeti interessa gli astrobiologi.
Anche se si scopre che la fotosintesi abiotica ha bloccato parte del carbonio dall'atmosfera nelle rocce del cratere Gale, Franz e i suoi colleghi vorrebbero studiare il suolo e la polvere di diverse parti di Marte per capire se i loro risultati del Gale Crater riflettono un'immagine globale. Potrebbero un giorno avere la possibilità di farlo. Il rover Perseverance Mars della NASA, dovuto al lancio su Marte tra luglio e agosto 2020, prevede di imballare campioni nel cratere Jezero per un possibile ritorno ai laboratori sulla Terra.
