Mars kryje głęboką wodną przeszłość. Perseverance zagląda pod powierzchnię

Nowe dane z Marsa wywracają do góry nogami historię wody na Czerwonej Planecie, sięgając dalej niż znany wszystkim delta w kraterze Jezero.

Rover Perseverance nie tylko robi zdjęcia kamieni pod kołami. Dzięki pokładowemu georadarowi zajrzał dziesiątki metrów w głąb marsjańskiego gruntu i natrafił na zaskakujące struktury, które wskazują, że rzeki i jeziora działały tam znacznie wcześniej, niż do tej pory sądzili naukowcy.

Dlaczego akurat krater Jezero stał się „placem budowy” dla Perseverance

Miejsce lądowania misji Mars 2020 nie było przypadkowe. Z orbity krater Jezero wygląda jak dawne jezioro z wyraźnie zaznaczoną deltą rzeczną, czyli miejscem, gdzie niegdyś wpływała tam rzeka niosąca osady z szerokiego obszaru.

Po lądowaniu w lutym 2021 roku Perseverance szybko potwierdził ten obraz. Spektrometry na pokładzie zarejestrowały w dnie krateru skały bogate w węglany, typowe dla środowisk związanych z wodą. Kamera wysokiej rozdzielczości odsłoniła też misterną budowę warstw osadowych delty przy zachodnim brzegu Jezero. Dzięki temu powstał obraz Marsa sprzed miliardów lat jako planety cieplejszej, z atmosferą gęstszą niż dziś i z wodą płynącą w formie rzek i rozlewisk.

Do tej pory większość argumentów opierała się jednak na obserwacjach powierzchni. A to tak, jakby wnioskować o historii całego miasta tylko na podstawie fasad kilku budynków. Mars może skrywać starsze rozdziały swojej historii głęboko pod „asfaltem” dzisiejszego gruntu.

Georadar na Marsie – jak działa „kosmiczna aparatura rentgenowska”

Aby dobrać się do tych zakopanych warstw bez wiercenia, NASA wyposażyła Perseverance w instrument przypominający sprzęt znany z badań geologicznych i archeologicznych na Ziemi – georadar, czyli radar do badań gruntu (ang. Ground Penetrating Radar).

Zasada działania jest stosunkowo prosta. Nadajnik wysyła do gruntu krótkie impulsy fal elektromagnetycznych o wysokiej częstotliwości. Fale te rozchodzą się w skałach z różną prędkością, w zależności od ich składu i porowatości. Na granicach między warstwami o odmiennych właściwościach część energii wraca ku górze i trafia do odbiornika umieszczonego na tym samym urządzeniu.

Instrument na Perseverance potrafi „prześwietlić” marsjański grunt do około 35 metrów głębokości i zarejestrować układ warstw osadowych ukształtowanych przez dawne rzeki.

Czas, który mija między wysłaniem impulsu a jego powrotem, pozwala obliczyć głębokość odbicia. Z wielu takich pomiarów powstaje przekrój gruntu, coś w rodzaju czarno-białej tomografii, którą geofizycy interpretują jak mapę dawnych środowisk geologicznych. To nie jest obraz „fotograficzny”, ale zapis różnic w strukturze i wilgotności dawnych osadów.

Jak głęboko zagląda Perseverance

Zastosowana w Jezero konfiguracja georadaru daje kompromis między głębokością a szczegółowością. Im wyższa częstotliwość fali, tym lepsza rozdzielczość, lecz mniejszy zasięg. Im niższa, tym głębiej można „zajrzeć”, ale obraz robi się bardziej rozmyty.

• zakres głębokości: do ok. 35 m pod powierzchnią
• szacunkowa rozdzielczość: od kilkudziesięciu centymetrów do kilku metrów, zależnie od warunków
• obszar badań: trasa przejazdu Perseverance na obrzeżach krateru Jezero

Na Ziemi taki sprzęt wykorzystują nie tylko geolodzy. Archeolodzy lokalizują w ten sposób zarys murów i grobowców bez kopania, a inżynierowie sprawdzają stabilność podłoża pod drogami czy budynkami.

Zakopane struktury: rzeki, delty i ślady zmiennego klimatu

Seria pomiarów wykonanych podczas przejazdu wzdłuż zewnętrznej krawędzi krateru pokazała, że pod kołami łazika kryje się złożony układ warstw – daleki od prostej, jednorodnej skały. Zespół naukowców, który przeanalizował dane (publikacja trafiła do czasopisma Science Advances), zidentyfikował struktury charakterystyczne dla systemów rzecznych i deltowych.

W zapisie georadarowym widać m.in. ukośnie ułożone pakiety reflektorów, czyli powierzchni odbijających fale. Na Ziemi taki rysunek powstaje w wyniku stopniowego przesuwania się koryt rzek i nagromadzeń piasku, typowych dla meandrujących cieków i złożonych delt.

Badacze wskazują, że pod Jezero może kryć się stary, rozległy system rzeczny: meandrujące koryta, rozlewiska lub sieć rzek rozgałęziających się i łączących ponownie.

Modele interpretacyjne uwzględniają kilka możliwości:

• stary system rzek meandrujących, przypominający niektóre odcinki Wisły czy Missisipi,
• stożek napływowy, tworzony przez materiał nanoszony przez rzeki na przedpolu gór,
• układ rzek w formie tzw. „warkocza”, gdzie wiele koryt przeplata się i zmienia położenie w czasie.

Co istotne, te struktury leżą pod młodszymi warstwami związanymi ze znanym już, spektakularnym deltowym ujściem rzeki w zachodniej części krateru. To oznacza, że woda płynęła w tym rejonie znacznie wcześniej, zanim powstał obecnie analizowany deltaiczny „finał” historii Jezero.

Woda na Marsie znacznie wcześniej, niż przypuszczano

Na Marsie geolodzy wyróżniają kilka epok. Najstarsza z nich, zwana okresem noachijskim, trwała mniej więcej od 4,2 do 3,7 miliarda lat temu. To właśnie wtedy powierzchnię Czerwonej Planety kształtowały intensywne procesy związane z wodą, uderzeniami asteroid i aktywnością wulkaniczną.

Analiza zakopanych warstw w Jezero wskazuje, że środowisko rzeczne istniało tam już na początku okresu noachijskiego, a więc nawet 4 miliardy lat temu. Z kolei spektakularny deltaiczny „wachlarz” widoczny dziś na powierzchni wydaje się znacznie młodszy – datowany na późny noachij lub wczesny okres hesperyjski, około 3,7–3,5 miliarda lat temu.

Oznacza to, że krater Jezero nie był krótkotrwałym epizodem wodnym, lecz rejonem, gdzie procesy związane z ciekłą wodą trwały setki milionów lat. Taki długi okres kontaktu skał, wody i możliwych składników organicznych zwiększa szansę na powstanie i utrwalenie śladów dawnych mikroorganizmów.

Co to znaczy dla szukania życia na Marsie

Perseverance ma jasny cel: znaleźć skały, które mogłyby zachować ślady dawnego życia, a następnie zmagazynować próbki do przyszłego transportu na Ziemię. Dane z georadaru pozwalają lepiej wytypować, gdzie warto wiercić i pobierać rdzenie.

Warstwy ukształtowane przez spokojnie płynącą wodę, w których osady opadały powoli w jeziorze lub delcie, to idealne archiwum. Na Ziemi właśnie w takich środowiskach zachowało się najwięcej skamieniałości mikroorganizmów z najdawniejszych epok. Mars mógł działać według podobnych zasad, nawet jeśli życie – jeśli kiedykolwiek istniało – było tam skromniejsze i prostsze niż ziemskie.

Im dłużej woda utrzymywała się w jednym regionie Marsa, tym większa szansa, że procesy chemiczne miały czas dojść do punktu, w którym pojawiają się struktury przypominające życie.

Imaging georadarowy pokazuje też miejsca, gdzie układ warstw wyraźnie się zmienia. Takie przejścia mogą wskazywać na gwałtowne powodzie, okresy suszy albo zmiany klimatu. Dla naukowców to okazja, aby zbadać, jak środowisko na Marsie reagowało na globalne procesy, np. utratę atmosfery czy spadek aktywności wulkanicznej.

Jak interpretować georadar i z czym może być problem

Choć obrazy z georadaru wyglądają imponująco, ich interpretacja nie jest oczywista. Fale odbijają się od granic o różnej stałej dielektrycznej, ale ta wielkość zależy od kilku czynników naraz: składu mineralnego, ilości lodu, porowatości czy nawet obecności soli.

Dlatego naukowcy często zestawiają dane georadarowe z innymi typami obserwacji: zdjęciami z kamer, pomiarami składu chemicznego, a także porównaniami z analogicznymi środowiskami na Ziemi. Tam, gdzie na naszej planecie znamy dokładny przekrój geologiczny, można „skalibrować oko” na to, jak podobne struktury wyglądają w zapisie radarowym.

Na Marsie dochodzi jeszcze jeden element: bardzo suche i rzadkie środowisko. Brak obecnej ciekłej wody ułatwia przenikanie fal, ale jednocześnie utrudnia rozróżnienie dawnych osadów rzecznych od np. przepływów błotnych czy materiału wulkanicznego, który potem został nadżarty przez erozję.

Co nam mówi wczesna woda na Marsie o samej Ziemi

Badania Marsa często wracają rykoszetem na Ziemię. Okres noachijski na Czerwonej Planecie częściowo pokrywa się z czasem, gdy na naszej planecie dopiero kształtowała się pierwsza skorupa i pojawiały się najstarsze ślady życia. Niestety, ziemskie skały z tamtego etapu są skrajnie rzadkie, bo płyty tektoniczne wielokrotnie przerobiły powierzchnię planety.

Mars nie ma aktywnej tektoniki płyt, więc zachował dużo starsze archiwa. Analizując dawne rzeki i jeziora w Jezero, geolodzy mogą testować hipotezy dotyczące warunków, w jakich materia nieożywiona przechodzi w złożone związki organiczne. To ważne nie tylko dla zrozumienia Marsa, ale także dla pytania, jak łatwo powstaje życie we Wszechświecie.

W praktyce nowe wyniki z Perseverance oznaczają też korektę map „najbardziej obiecujących” miejsc na Marsie. Obszary, które przez bardzo długi czas hostowały wodne środowiska, trafiają wyżej na liście celów kolejnych misji. Można się spodziewać, że przyszłe łaziki, a w dalszej perspektywie może i załogowe wyprawy, będą traktowały krater Jezero i podobne stare baseny jako priorytetowe punkty badań, gdzie zapisane są najstarsze marsjańskie historie związane z wodą i potencjalną biologią.