Mars mogła mieć rzeki miliard lat wcześniej, niż sądzili naukowcy

Nowe dane z łazika Perseverance pokazują, że pod powierzchnią Marsa kryją się ślady bardzo starego krajobrazu rzecznego, ukrytego na głębokości kilkudziesięciu metrów.

To, co dotąd było tylko przypuszczeniem opartym na zdjęciach z orbity, teraz nabiera mocnego geologicznego „rusztowania”. Zespół badaczy przeanalizował pomiary georadarem i twierdzi, że w kraterze Jezero woda płynęła znacznie wcześniej, niż wskazywał spektakularny widoczny dziś delta.

Perseverance zagląda pod „skórę” Marsa

Łazik Perseverance wylądował w lutym 2021 roku w kraterze Jezero, bo już z orbity widać było tam struktury przypominające wyschnięty deltowy system rzeczno-jeziorny. Krater wygląda tak, jakby kiedyś był jeziorem wypełnianym przez rzekę wpływającą od zachodu.

Analizy pierwszych próbek szybko potwierdziły ten obraz. W dnie krateru znaleziono węglany – minerały często związane z obecnością wody – oraz drobiazgowo „pofalowane” warstwy osadów, typowe dla ujścia rzeki do zbiornika wodnego. Z tych danych wyłoniła się wizja dawnego Marsa jako planety cieplejszej i wilgotniejszej, z obiegiem wody przypominającym ten ziemski.

Do tej pory najwięcej wniosków pochodziło z obserwacji tego, co znajduje się na powierzchni: klifów delty, odsłoniętych skał, krawędzi krateru. Teraz do gry wchodzi to, co schowane głębiej – pod samymi kołami łazika.

Georadar – sprzęt z budowy i wykopalisk trafia na Marsa

Aby prześwietlić grunt w Jezero, inżynierowie wyposażyli Perseverance w instrument przypominający to, czego na co dzień używają geofizycy czy archeolodzy na Ziemi: radar do badań podpowierzchniowych, czyli georadar.

Jego działanie można porównać do prześwietlenia rentgenowskiego, tylko zamiast promieniowania X wykorzystuje fale elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości. Nadajnik na łaziku wysyła w grunt krótkie impulsy. Fale wnikają w podłoże i odbijają się od granic między warstwami o różnych właściwościach – np. piasku, żwiru, skały litej czy lodu.

Odbite sygnały wracają do odbiornika, a komputer na podstawie czasu ich „podróży” tworzy przekrój pionowy gruntu. Im głębiej chcemy zajrzeć, tym niższa częstotliwość fal i gorsza szczegółowość obrazu. W przypadku Perseverance udało się zarejestrować struktury do około 35 metrów w głąb podłoża.

Georadar łazika działa jak tomograf terenu: zamiast jednej skały pokazuje całe „archiwum” dawnych osadów w okolicy trasy przejazdu.

Takie urządzenia na Ziemi wykorzystuje się m.in. do:

• wyszukiwania zabytków bez ich odkopywania,
• badania grubości lodowców i pokrywy śnieżnej,
• kontroli podłoża pod drogami i fundamentami,
• szukania pustek i kawern w skale.

Co skrywają 35 metrów marsjańskiego podłoża

Podczas przejazdu wzdłuż zewnętrznej krawędzi krateru Jezero instrument georadarowy rejestrował profile gruntu praktycznie bez przerwy. Z zebranych danych zespół badawczy „poskładał” trójwymiarowy obraz ukrytych warstw osadów.

W tym obrazie pojawiły się charakterystyczne, naprzemienne sekwencje warstw o różnej grubości, nachyleniu i geometrii. Geolodzy rozpoznali w nich struktury typowe dla środowisk mocno związanych z płynącą wodą:

• skamieniałe koryta dawnych rzek,
• osady deltaiczne, budowane podczas wlewania się rzeki do większego zbiornika,
• zespół kanałów, który może odpowiadać rzece o krętym przebiegu lub rozgałęzionemu systemowi wód płynących.

Na tej podstawie naukowcy proponują kilka możliwych scenariuszy. Widoczne na przekrojach struktury mogą pochodzić z:

W każdym z tych wariantów obecność dużych ilości ciekłej wody nie jest epizodem na kilka deszczowych sezonów, tylko procesem trwającym w skali geologicznej – miliony lat.

Przekroje z georadaru wskazują, że krater Jezero krył rozbudowany system rzeczny długo przed powstaniem znanego z fotografii delty na zachodnim brzegu.

Woda na Marsie pojawiła się wcześniej i została na dłużej

Analiza wieku badanych warstw wiąże te ukryte struktury z bardzo wczesnym etapem historii planety, zwanym okresem noachijskim. To czas pomiędzy około 4,2 a 3,7 miliarda lat wstecz. Dla porównania, sam widoczny delta w zachodniej części Jezero jest młodszy o setki milionów lat – wiąże się już z końcówką tego okresu i początkiem kolejnego etapu, zwanego hesperyjskim.

Różnica czasowa sugeruje, że obszar Jezero miał „mokry” epizod znacznie wcześniej, a warunki sprzyjające wodzie na powierzchni utrzymywały się tam przez dłuższy odcinek historii planety, niż wskazywały dane z samej tylko delty.

Z geologicznego punktu widzenia oznacza to, że:

• klimat Marsa mógł pozostawać łagodny znacznie dłużej,
• obieg wody – opady, spływ, magazynowanie w jeziorach – funkcjonował w tym rejonie przez rozszerzone „okno czasowe”,
• skały w kraterze przechowują zapis kilku kolejnych faz aktywności hydrologicznej, a nie jednego krótkiego epizodu.

Im dłużej woda utrzymywała się na powierzchni, tym więcej czasu miały ewentualne proste organizmy na powstanie i przetrwanie w takich warunkach.

Co to znaczy dla pytania o życie na Marsie

Krater Jezero wybrano między innymi dlatego, że delta rzeczna jest na Ziemi jednym z najlepszych miejsc do przechowywania śladów dawnych mikroorganizmów. Drobne osady transportowane przez rzekę mogą „zamknąć” w sobie cząstki materiału organicznego i zachować je przez miliardy lat.

Nowe dane idą krok dalej: pokazują, że środowisko sprzyjające wodzie nie ogranicza się do jednego etapu budowy tej delty. Wcześniejsze struktury rzeczne i osady mogą zawierać zupełnie inny zapis chemiczny, powstały pod wpływem odmiennych warunków klimatycznych.

Dla planowanej analizy próbek, które Perseverance zbiera z myślą o przyszłej misji ich przywiezienia na Ziemię, ma to kilka konsekwencji:

• wzrośnie znaczenie próbek z obszarów poza głównym deltowym klifem,
• naukowcy będą mogli porównać ślady z kilku faz „mokrego” Marsa,
• łatwiej będzie rozróżnić procesy czysto geochemiczne od tych, w których mogła brać udział biologia.

Czy da się „zajrzeć” jeszcze głębiej

Zasięg 35 metrów to dopiero górny fragment geologicznej historii krateru. Głębiej mogą kryć się starsze warstwy, być może związane z jeszcze innymi epizodami klimatycznymi. Obecny georadar nie sięga tak daleko, ale już sama identyfikacja struktur na tej głębokości pokazuje, że technika działa na Marsie bardzo skutecznie.

To ważna wskazówka przy projektowaniu kolejnych łazików i lądowników. Silniejsze radary, różne częstotliwości pracy, a także zestawianie danych radarowych z pomiarami sejsmicznymi mogłyby w przyszłości stworzyć bardzo szczegółową „kartę geologiczną” znacznej części planety.

Jak czytać opowieść zapisaną w osadach

Dla kogoś spoza geologii takie pojęcia jak „delta”, „stożek napływowy” czy „rzeka warkoczowa” mogą brzmieć abstrakcyjnie. A to właśnie ich kształty odczytane z danych georadarowych pozwalają mówić o dawnym przepływie wody.

Najprościej:

• delta to nagromadzenie osadów w miejscu, gdzie rzeka wpływa do jeziora lub morza; warstwy rozchodzą się wachlarzowato, tworząc charakterystyczne kliny,
• stożek napływowy powstaje, gdy woda niesie materiał z górzystego terenu i nagle rozlewa się na płaski obszar, „wysypując” żwir i piasek,
• system rzek warkoczowych to sieć wielu przeplatających się koryt, które co jakiś czas zmieniają bieg, zostawiając porzucone, wypełnione osadami fragmenty dawnych kanałów.

Na profilach georadarowych objawia się to jako pasma warstw o różnym nachyleniu i ciągłości. Doświadczony geolog jest w stanie z takich układów odtworzyć kierunek przepływu, głębokość wody, a nawet przybliżoną energię prądu rzeki.

W przypadku Marsa te informacje łączy się jeszcze z danymi mineralogicznymi z innych instrumentów łazika, co pozwala oszacować np. zasolenie dawnych jezior czy skład chemiczny wód. To z kolei wpływa na ocenę, czy w takim środowisku miałyby szansę funkcjonować proste formy życia podobne do ziemskich mikroorganizmów.

Mars jako archiwum klimatu młodego Układu Słonecznego

Planeta, która dziś wydaje się sucha i jałowa, jeszcze na bardzo wczesnym etapie istnienia przypominała raczej chłodną, wilgotną półpustynię niż lodową pustkę. Ślady po dawnych sieciach rzecznych w Jezero wpisują się w coraz bogatszy obraz Marsa jako miejsca, gdzie klimat zmieniał się wielokrotnie i nie wszędzie w tym samym czasie.

Krater Jezero staje się przez to czymś w rodzaju naturalnego archiwum – w warstwach osadów zapisano nie tylko historię jednej rzeki, ale cykle ociepleń, ochłodzeń, okresów erozji i spokojnego gromadzenia materiału. Zrozumienie tych przemian pomaga lepiej zadać pytania także o przeszłość Ziemi: obie planety startowały z podobnych warunków, a mimo to ich los potoczył się skrajnie inaczej.

Dalsze prace nad danymi z georadaru Perseverance, zestawione z przyszłymi próbkami, które trafią kiedyś do ziemskich laboratoriów, mogą więc dać nie tylko odpowiedź na pytanie o dawne marsjańskie życie. To również szansa, by lepiej zrozumieć, jak wczesny klimat w okolicach młodego Słońca kształtował powierzchnie planet skalistych – i jakie są granice stabilności warunków sprzyjających wodzie w skali miliardów lat.