Mars mogła mieć rzeki miliard lat wcześniej, niż sądziliśmy

Nowe dane z łazika Perseverance odsłaniają pod powierzchnią Marsa zakopane struktury, które zupełnie zmieniają historię marsjańskiej wody.

Naukowcy wykorzystali pokładowy georadar, by „zajrzeć” na głębokość kilkudziesięciu metrów pod dno krateru Jezero. Okazało się, że pod słynnym deltowym krajobrazem kryje się starszy, rozległy system rzeczny. To sygnał, że na Czerwonej Planecie warunki sprzyjające wodzie – a więc i potencjalnie życiu – utrzymywały się znacznie dłużej, niż dotąd przyjmowano.

Jezero: krater, który kiedyś był jeziorem

Miejsce lądowania Perseverance od początku budziło duże emocje. Zdjęcia z orbity sugerowały, że krater Jezero w odległej przeszłości wypełniała woda tworząca jezioro, do którego wpływała szeroka rzeka. Charakterystyczny wachlarz osadów przy zachodnim brzegu wyglądał jak klasyczna delta rzeczna.

Po lądowaniu w lutym 2021 roku łazik potwierdził te przypuszczenia. Analiza skał wykazała obecność węglanów w dnie krateru, a kamery zarejestrowały warstwy osadów ułożone dokładnie tak, jak w deltach na Ziemi. Z tych danych wyłonił się obraz Marsa sprzed miliardów lat jako ciepłej, wilgotnej planety, po której powierzchni płynęła woda w postaci rzek i jezior.

Georadar na Marsie: jak działa „rentgen” gruntu

Do czasu badań Perseverance naukowcy znali przede wszystkim to, co można zobaczyć na powierzchni. Podejrzewali jednak, że w głębszych warstwach gruntu kryje się jeszcze starsza historia. Żeby ją prześledzić, inżynierowie wyposażyli łazik w instrument przypominający urządzenia, jakich na co dzień używają geofizycy, geotechnicy czy archeolodzy na Ziemi: georadar (radar do sondowania gruntu).

Zasada działania jest dość prosta. Nadajnik wysyła w głąb gruntu impulsy fal elektromagnetycznych o wysokiej częstotliwości. Gdy taka fala napotyka granicę między różnymi warstwami – na przykład między piaskiem a iłem – część energii odbija się i wraca ku powierzchni. Odbity sygnał rejestruje odbiornik znajdujący się kilka metrów dalej na tym samym urządzeniu.

Dzięki pomiarowi czasu między wysłaniem a powrotem fali georadar rysuje „przekrój” pod powierzchnią, ujawniając układ warstw i dawnych struktur osadowych.

Im wyższa częstotliwość fal, tym dokładniejszy obraz, ale mniejsza głębokość penetracji. Dla większych głębokości stosuje się niższe częstotliwości, godząc się na nieco mniejszą szczegółowość. W przypadku Perseverance udało się osiągnąć zasięg mniej więcej 35 metrów pod powierzchnią marsjańskiego gruntu, co w zupełności wystarczyło, by zobaczyć to, co przez miliardy lat pozostawało ukryte.

Co georadar zobaczył pod dnem krateru Jezero

Łazik zarejestrował profile georadarowe podczas jazdy wzdłuż zewnętrznego obrzeża krateru. Po przetworzeniu danych badacze otrzymali coś w rodzaju przekrojów geologicznych ciągnących się pod trasą pojazdu. W tych przekrojach wyraźnie odznaczały się struktury, które specjaliści od osadów znają z ziemskich rzek.

Naukowcy zidentyfikowali m.in.:

• zarysy dawnych koryt rzecznych, przypominające meandrujące kanały znane z terenów zalewowych na Ziemi,
• sekwencje warstw typowe dla dawnych delt i stożków napływowych,
• układy osadów sugerujące rozgałęzione sieci rzek, tzw. rzeki roztokowe.

Cały ten obraz wskazuje na złożony system rzeczny, który istniał w tym rejonie dużo wcześniej niż spektakularna delta widoczna dziś na zachodzie krateru. Innymi słowy: zanim powstał „słynny” system jeziora i delty, Jezero i jego okolice przeszły długą fazę aktywności wodnej, wielokrotnie przekształcanej przez przepływające rzeki.

Chronologia: kiedy po Marsie płynęły te rzeki

Analiza struktur i ich głębokości, w połączeniu z aktualną wiedzą o historii geologicznej Marsa, pozwoliła osadzić je w czasie. Wskazują one na bardzo wczesny okres rozwoju planety, zwany erą noachijską. Według obecnych szacunków chodzi o przedział od około 4,2 do 3,7 miliarda lat temu.

Dla porównania: delta w zachodniej części Jezero, którą łazik badał w pierwszej kolejności, jest młodsza. Prawdopodobnie uformowała się dopiero na przełomie ery noachijskiej i hesperyjskiej, w okresie 3,7–3,5 miliarda lat temu. Różnica nie wydaje się duża w skali ludzkiej, ale dla planety to przepaść.

Z takiej chronologii wynika jasny wniosek: obszar krateru Jezero był miejscem, w którym woda występowała powierzchniowo przez bardzo długi czas, być może w kilku następujących po sobie fazach. Okno czasowe potencjalnie sprzyjające rozwojowi prostych form życia było więc znacznie szersze, niż sugerowały wcześniejsze modele.

Co to znaczy dla pytania o życie na Marsie

W astrobiologii im dłużej utrzymuje się stabilne środowisko z wodą w stanie ciekłym, tym większa szansa na powstanie i rozwój życia, choćby mikrobiologicznego. Mars nie jest tu wyjątkiem. Jeżeli w Jezero faktycznie przez setki milionów lat działały rzeki i istniało jezioro, zwiększa to prawdopodobieństwo, że w skałach osadowych utrwaliły się ślady dawnej biosfery.

Długotrwała obecność rzek i jezior oznacza powtarzające się cykle sedymentacji, a więc grube pakiety osadów, które mogły „uwięzić” organiczne cząsteczki lub struktury komórkowe.

Perseverance nie tylko wykonuje badania na miejscu, ale też wierci rdzenie skalne i przygotowuje je do przyszłej misji Mars Sample Return. Jeśli próbki, które trafią kiedyś do ziemskich laboratoriów, rzeczywiście pochodzą z tak złożonego i starego systemu rzecznego, szansa na znalezienie w nich śladów przeszłego życia rośnie.

Dlaczego zakopane struktury są aż tak cenne

Warstwy sięgające 35 metrów w głąb są w dużej mierze chronione przed tym, co przez miliardy lat niszczyło powierzchnię Marsa: uderzeniami meteorytów, erozją wiatrową i promieniowaniem kosmicznym. Z tego powodu sygnał geologiczny z głębi pozostaje bardziej „czysty”, mniej zniekształcony późniejszymi procesami.

Na Ziemi georadar pomaga archeologom odnajdywać obiekty sprzed tysięcy lat bez kopania. Na Marsie pełni podobną funkcję, tylko w skali planetarnej. Zamiast ruin osad ludzkich pokazuje ukryte meandry i dawne koryta rzek, dając wgląd w epokę, której nie obejmują żadne inne pomiary.

Jakie pytania stawia to badanie

Nowe dane uruchamiają też całą serię pytań. Skoro w rejonie Jezero istniał stary system rzeczny, to:

• skąd dokładnie napływała woda i jak duziemiał zasięg ten system,
• czy podobnie stare struktury kryją się pod innymi kraterami, które dziś wyglądają na suche i martwe,
• jak często te rzeki wysychały i odradzały się w wyniku zmian klimatu Marsa.

Odpowiedzi mogą dać kolejne kampanie georadarowe oraz porównanie danych z orbiterów, które obserwują powierzchnię z góry. Możliwe, że Mars skrywa więcej takich „warstw pamięci” po dawnych rzekach, o których dziś nie świadczy żadna struktura na wierzchu.

Co dalej z badaniami w kraterze Jezero

Perseverance wciąż przemieszcza się po obrzeżach i wnętrzu krateru, wykorzystując pełny zestaw instrumentów: kamery, spektrometry, wiertła i wspomniany georadar. Każdy kilometr jazdy to nowy przekrój pod powierzchnią, więc mapa podziemnych struktur w rejonie Jezero powoli gęstnieje.

W praktyce oznacza to, że naukowcy mogą coraz lepiej typować miejsca, z których warto pobrać próbki. Jeżeli georadar wskazuje na obecność dawnego koryta rzecznego, a analiza składu skał sugeruje osady drobnoziarniste (gliny, muły), rośnie szansa, że w takich warstwach znajdą się delikatne ślady przeszłych procesów biologicznych.

Dlaczego zwykłego czytelnika powinny interesować geologiczne szczegóły Marsa

Choć opowieści o meandrujących rzekach sprzed czterech miliardów lat mogą wydawać się bardzo abstrakcyjne, niosą one kilka bardzo przyziemnych konsekwencji. Po pierwsze, pomagają zrozumieć, jakie procesy mogą zachodzić na planetach w ogóle. Warunki na młodym Marsie i młodej Ziemi były częściowo podobne, więc porównanie tych dwóch historii pozwala lepiej ocenić, jak wyjątkowe – lub przeciwnie, typowe – są nasze ziemskie dzieje.

Po drugie, rozumienie marsjańskiej hydrologii przydaje się przy planowaniu przyszłych misji załogowych. Miejsca, gdzie w przeszłości występowała woda, często wiążą się z występowaniem minerałów, z których można w przyszłości pozyskiwać surowce, na przykład do produkcji tlenu czy paliwa. Dla przyszłych astronautów to potencjalne „oazy surowcowe”.

Wreszcie takie badania uczą cierpliwości w nauce. Dopiero po połączeniu obrazów z orbity, szczegółowych fotografii z powierzchni, analiz składu skał i georadarowych przekrojów pod dnem krateru zaczyna układać się spójna opowieść o rzekach, jeziorach i klimacie Marsa. To pokazuje, że każda kolejna misja planetarna nie tylko dodaje cegiełkę, ale czasem odsłania zupełnie nową, wcześniej niewidoczną warstwę historii całej planety.