NASA’s Curiosity Rover schnüffelt seit drei Marsjahren – für uns Erdlinge sind es fast sechs Jahre – die Luft über dem Gale-Krater, dem äquatornahen Erkundungsgebiet des Mars. Mit Hilfe seines tragbaren Chemielabors SAM (Sample Analysis at Mars) hat der Rover nicht nur herausgefunden, woraus die Oberflächenatmosphäre besteht, sondern auch, wie sich ihre Gase im Laufe der Jahreszeiten verändern.
Viele der Marsgase „verhalten sich sehr gut“, sagt Melissa Trainer, Planetenforscherin bei der NASA und Teammitglied des SAM-Experiments. Eines jedoch scheint sich auf eine ausgesprochen unerwartete und insgesamt bizarre Weise zu verhalten: Sauerstoff.
Wissenschaftler wissen schon lange, dass Kohlendioxid auf dem Mars, das 95 Prozent der Atmosphäre des Planeten ausmacht, im Winter über den Polen gefriert und im Sommer wieder zu einem Gas sublimiert. In der dünnen Luft um den Gale-Krater zeigten Curiositys Messungen winzige Mengen an trägem Argon und Stickstoff, die erwartungsgemäß periodisch auf- und absteigen, was auf diesen jahreszeitlichen Kreislauf des Kohlendioxids zurückzuführen ist.
Curiositys Instrumente registrierten auch atmosphärischen Sauerstoff, der zu ähnlichen Zeiten auf- und abstieg, aber in Mengen, die sich einer einfachen Erklärung entziehen. Im Frühling und Sommer gab es viel mehr davon, im Winter weniger, als das jahreszeitliche Hin- und Herschwirren anderer Gase vorhersagen würde.
Das deutet darauf hin, dass irgendetwas in den wärmeren Monaten Sauerstoffvorräte bildet oder freisetzt und ihn in den kälteren Monaten einschließt oder verschluckt. Es könnte ein geologischer, chemischer, atmosphärischer oder vielleicht sogar ein biologischer Prozess sein, aber im Moment hat niemand die leiseste Ahnung, was der Übeltäter tatsächlich ist. Und obwohl das Trampolinspringen des Sauerstoffs sicherlich ein lokales Merkmal zu sein scheint, könnte es sich um eine regionale oder sogar globale Besonderheit handeln.
François Forget, ein Planetenforscher am französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung, sagt, dass dieser Befund überraschend, seltsam und mysteriös ist. Jon Telling, Geochemiker und Geomikrobiologe an der Universität Newcastle, sagt, er und andere Experten seien verständlicherweise „verblüfft“
Eine unerwartete Herausforderung liegt plötzlich vor der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Es ist unklar, wann oder ob überhaupt der Fall des übereifrigen Sauerstoffs geknackt wird. Schon jetzt, sagt Paul Niles, Planetengeologe und analytischer Geochemiker bei der NASA, ist es überdeutlich, dass „der Mars viel fremder ist, als wir dachten.“
Curiosity Killed the Stats
In-situ-Messungen des Drucks, der Temperatur und der Zusammensetzung der Marsatmosphäre reichen fast ein halbes Jahrhundert zurück, von den Viking-Landern in den 1970er Jahren bis hin zu den Rovern Spirit, Opportunity und jetzt Curiosity. Curiositys SAM-Suite hat jedoch akribisch verfolgt, wie sich die Gasmengen in der Marsatmosphäre im Laufe der Jahreszeiten verändern, und den Wissenschaftlern damit eine bahnbrechende, präzise Chronik der Atmosphäre des Planeten geliefert.
Die zu hohen Sauerstoffspitzen und zu niedrigen Tiefstwerte in den wärmeren bzw. kälteren Monaten waren ein Schock. Die Curiosity-Wissenschaftler konnten sich nur zwei Möglichkeiten vorstellen: entweder gibt es auf dem Mars einen geheimnisvollen Schöpfer und Zerstörer von Sauerstoff, den die Wissenschaftler nicht kennen, oder die Messungen waren falsch. Trainer, Hauptautor der Studie, die die Entdeckung im Journal of Geophysical Research: Planets, betont, dass diese Entdeckung und Analyse viele Jahre dauerte, wobei alle möglichen falsch-positiven Auslöser ausgeschlossen wurden.
„Ich denke, sie haben ihre Sorgfaltspflicht erfüllt“, sagt Niles. Bei diesen interplanetaren Wissenschaftsexperimenten kann viel schiefgehen, von Gerätefehlern bis hin zu Verunreinigungen. Trotzdem sagt er: „Ich sehe keinen Grund, an den Sauerstoffmessungen zu zweifeln.“
„Ich hoffe, es ist echt“, sagt Forget, denn ein extraterrestrisches Sauerstoff-Rätsel macht viel mehr Spaß als eine Panne.
Ein echtes Rätsel würde die Forscher zwingen, zu den Grundlagen zurückzukehren, sagt Manish Patel, ein Planetenforscher an der Open University. „Wir müssen zuerst unser Verständnis der bekannten Prozesse zur Entstehung von Sauerstoff hinterfragen, bevor wir irgendwelche neuen oder umstrittenen Prozesse heranziehen.“
Trainer und ihre Kollegen haben genau das getan. Aber sie kamen immer noch zu kurz. Die Sonnenstrahlung könnte Sauerstoffmoleküle aufspalten und in den Weltraum blasen, aber dieser Prozess scheint zu langsam und ineffizient zu sein, um die von Curiosity beobachteten saisonalen Einbrüche zu erklären. Vielleicht könnte der langsame Abbau von Kohlendioxid in der Atmosphäre Sauerstoff freigesetzt haben, was eine Spitze im Sommer verursacht – aber auch dieser Prozess würde zu lange dauern, um die beobachteten Spitzen zu erzeugen.
Der Marsboden ist reich an sauerstoffhaltigem Wasserstoffperoxid und Perchloraten. Die Viking-Lander haben gezeigt, dass warme, feuchte Luft diesen Sauerstoff freisetzen kann, aber diese Bedingungen herrschen nicht in genügendem Umfang auf dem Planeten – geschweige denn im Gale-Krater -, um für die SAM-Daten zu genügen. Die Bombardierung des Bodens durch ionisierende Strahlung von kosmischen Strahlen und Sonnenstürmen könnte den Trick bewirken, aber man schätzt, dass es eine Million Jahre braucht, um die Sauerstoffspitze zu erzeugen, die während eines einzigen Frühlings beobachtet wurde.
Wir wissen einfach nicht genug über den Mars, um dieses spezielle Rätsel in den Griff zu bekommen, sagt Niles. So vieles über seine Chemie – wie Gase über und innerhalb des Planeten transportiert werden, welche Quellen und Senken sie haben könnten – bleibt zutiefst ungewiss. Nach allem, was wir wissen, sagt er, könnten Ereignisse in der Vergangenheit des Mars dazu geführt haben, dass riesige Mengen an Sauerstoff unter der Erde eingeschlossen wurden, die nun aus irgendeinem Grund zurück in die Atmosphäre strömen.
Wenn die Antwort nicht in der leblosen Luft und dem Gestein des Mars zu finden ist, könnte eine kryptische, außerirdische Form der Biologie dafür verantwortlich sein? Auf der Erde verursachen Photosynthese und Atmung von Lebewesen winzige Schwankungen in der ansonsten konstanten Sauerstoffkonzentration unseres Planeten. Auf dem Mars sollten wir das allerdings nicht erwarten. „Das ist weit hergeholt“, sagt Telling: Der Mars scheint zu unwirtlich für eine kritische Masse an Leben, die beide Prozesse aufrechterhalten könnte. „Es wird mit ziemlicher Sicherheit eine nichtbiologische chemische Reaktion sein.“
Trainer selbst schließt eine biologische Erklärung nicht aus, unterstreicht aber deren Unwahrscheinlichkeit. „Die Leute in der Community sagen gerne, dass es die Erklärung der letzten Instanz sein wird, weil das so monumental wäre“, sagt sie. Es gibt jede Menge bekannte und unbekannte abiotische Mechanismen, die man erst einmal ausschließen sollte, bevor man sich auf weitere sensationelle Behauptungen stürzt.
Riding the Methane Rollercoaster
Dieses Sauerstoff-Rätsel erinnert an das schelmische Methan des Mars, ein weiteres langjähriges Geheimnis des Roten Planeten. Obwohl die Marsluft einen gleichbleibend niedrigen Hintergrundgehalt an Methan enthält, behaupten mehrere unabhängige Wissenschaftlergruppen seit Jahren, dramatische, unvorhersehbare Spitzen in der atmosphärischen Häufigkeit des Gases entdeckt zu haben. Curiosity entdeckte eine solche Spitze im Jahr 2013, und eine weitere, wesentlich größere im Jahr 2019. Rätselhafterweise wurden viele bodengestützte Methan-Nachweise nicht von atmosphärensuchenden Raumsonden hoch über der Marsoberfläche bestätigt, darunter der Trace Gas Orbiter der ESA und Mars Express.
Methan hat auf der Erde eine Vielzahl von Quellen und Senken. Einige sind geologisch, aber viele sind biologisch. Auf dem Mars sollte sich Methan in der Luft schnell zersetzen, so dass man davon ausgeht, dass alle Spitzen kurz vor der Entdeckung entstanden sind; diese Tatsache hat Spekulationen über einen existierenden mikrobiellen Vorläufer auf dem Mars als Ursache für die von Curiosity beobachteten Spitzen angeheizt. Aber wie beim Sauerstoff ist auch das Methan völlig rätselhaft“, sagt Forget. Wissenschaftler können wenig darüber mit Sicherheit sagen, einschließlich der Frage, ob es lokal, regional oder global auftritt und warum.
Wenn die Methanspitzen auf dem Mars echt sind und durch einen noch unbekannten chemischen Prozess verursacht werden, sollte dies laut Wissenschaftlern Auswirkungen auf andere Gase in der Atmosphäre haben – aber nichts dergleichen wurde jemals beobachtet. Zumindest bis jetzt: Curiositys SAM-Messungen deuten darauf hin, dass die Sauerstoffkonzentration über die Jahreszeiten hinweg manchmal mit der Methankonzentration auf dem Mars steigt und fällt.
„Es ist sicherlich keine perfekte Übereinstimmung“, sagt Trainer; für jedes Gas weichen die Zeitpunkte und Extreme der Spitzen und Täler voneinander ab, was darauf hindeutet, dass beide Gase durch unterschiedliche Kombinationen von Prozessen gesteuert werden. Wenn jedoch der angedeutete unvollkommen synchronisierte Tanz zwischen den beiden Gasen real ist, dann kann das Verständnis des Verhaltens des einen Gases uns helfen, das andere zu verstehen.
Mit so vielen Fragen in der Hand, wie geht es weiter? Mehr Luft auf der Marsoberfläche mit SAM zu schnüffeln, wäre immer willkommen, sagt Trainer; diese Daten können in Modelle und Laborexperimente eingespeist werden, die das Geheimnis des manischen Sauerstoffs auf dem Mars enträtseln könnten.
Curiosity schnüffelt allerdings nur in einem einzigen Gebiet, daher sind seine Daten schlecht geeignet, um zu bestätigen, ob diese Sauerstoff-Achterbahn ein lokales oder globales Vorkommen ist, sagt Patel. Der Trace Gas Orbiter könnte jedoch eine große Hilfe sein. „Ich würde wirklich viel darauf wetten, dass, wenn diese Sauerstoffschwankung real ist, sie ziemlich global sein muss“, sagt Forget – und dieser Orbiter ist gut aufgestellt, um das festzustellen.
Es ist zu früh, um vorherzusagen, ob es sich um ein kolossales oder ein Miniaturphänomen handelt, eines mit einer rudimentären Erklärung oder einer weitaus revolutionäreren Wurzel. Zum jetzigen Zeitpunkt, sagt Trainer, ist alles, was wir mit Sicherheit über die wilden Sauerstoffwerte auf dem Mars sagen können, dass „wir alle aktuellen Erkenntnisse, die wir haben, heranziehen und sagen, Mensch, das passt einfach nicht zusammen.“