NASA’s Curiosity Rover snuift al drie Marsjaren – voor ons aardbewoners bijna zes jaar – de lucht op boven Mars’ Gale Crater, zijn bijna-equatoriale verkenningslocatie. Met behulp van het draagbare scheikundelab Sample Analysis at Mars (SAM) heeft de rover niet alleen vastgesteld waar de atmosfeer van het oppervlak uit bestaat, maar ook hoe de gassen met de seizoenen veranderen.
Vele gassen op Mars “gedragen zich heel goed,” zegt Melissa Trainer, een planeetwetenschapper bij NASA en een teamlid van het SAM-experiment.
Wetenschappers weten al lang dat kooldioxide op Mars, dat 95% van de atmosfeer van de planeet uitmaakt, in de winter bevriest boven de polen, en in de zomer weer sublimeert tot gas. In de ijle lucht rond de Gale Crater hebben Curiosity-metingen aangetoond dat kleine hoeveelheden inert argon en stikstof periodiek stijgen en dalen, zoals verwacht, als gevolg van deze seizoensgebonden kringloop van kooldioxide.
Curiosity’s instrumenten registreerden ook atmosferische zuurstof die op vergelijkbare tijden stijgt en daalt, maar in hoeveelheden die een eenvoudige verklaring te boven gaan. Er was veel meer zuurstof in de lente en de zomer, en minder in de winter, dan het heen en weer suizen van andere gassen zou voorspellen.
Dat suggereert dat er iets is dat in de warmere maanden voorraden zuurstof aanmaakt of vrijmaakt, en die in de ijskoude maanden insluit of opslokt. Het zou een geologisch, chemisch, atmosferisch of misschien zelfs een biologisch proces kunnen zijn, maar op dit moment heeft niemand een flauw idee wat de boosdoener eigenlijk is. En hoewel het trampolinespringen van de zuurstof zeker een lokaal verschijnsel lijkt te zijn, zou het ook een regionale of zelfs wereldwijde bijzonderheid kunnen zijn.
François Forget, een planeetwetenschapper van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek, noemt deze vondst verrassend, vreemd en mysterieus. Jon Telling, een geochemicus en geomicrobioloog aan de universiteit van Newcastle, zegt dat hij en andere deskundigen begrijpelijkerwijs “verbijsterd” zijn.
Een onverwachte uitdaging is plotseling voor de wetenschappelijke gemeenschap gelegd. Het is onduidelijk wanneer, en zelfs of, de zaak van de overijverige zuurstof zal worden opgelost. Nu al, zegt Paul Niles, planetair geoloog en analytisch geochemicus bij de NASA, is het overduidelijk dat “Mars veel vreemder is dan we dachten.”
Curiosity Killed the Stats
In situ metingen van de druk, temperatuur en samenstelling van de atmosfeer van Mars dateren van bijna een halve eeuw geleden, van de Viking landers in de jaren zeventig tot de Spirit, Opportunity en nu Curiosity rovers. De SAM-suite van Curiosity heeft echter nauwgezet bijgehouden hoe de hoeveelheden gas in de atmosfeer van Mars door de seizoenen heen veranderen, waardoor wetenschappers een baanbrekende, nauwkeurige kroniek van de atmosfeer van de planeet hebben gekregen.
De te hoge pieken en te lage dieptepunten van zuurstof tijdens respectievelijk de warmere en koudere maanden kwamen als een schok. De wetenschappers van Curiosity konden slechts twee mogelijkheden bedenken: of er bestond een mysterieuze schepper en vernietiger van zuurstof op Mars waar wetenschappers geen weet van hadden, of de metingen waren fout. Trainer, hoofdauteur van de studie die de ontdekking rapporteert in het Journal of Geophysical Research: Planets, benadrukt dat deze detectie en analyse vele jaren in beslag heeft genomen, waarbij alle mogelijke vals-positieve triggers zijn uitgesloten.
“Ik denk dat ze hun best hebben gedaan,” zegt Niles. Er kan van alles misgaan met deze interplanetaire wetenschappelijke experimenten, van defecte apparatuur tot besmetting. Hoe dan ook, zegt hij, “ik zie geen reden om te twijfelen aan de zuurstofmetingen.”
“Ik hoop dat het echt is,” zegt Forget, want een buitenaards zuurstof enigma is veel leuker dan een glitch.
Een echt enigma zou onderzoekers dwingen om terug te gaan naar de basis, zegt Manish Patel, een planeetwetenschapper aan de Open Universiteit. “We moeten eerst ons begrip van de bekende processen voor het maken van zuurstof onder de loep nemen, voordat we nieuwe, of controversiële processen gaan gebruiken.”
Trainer en haar collega’s hebben precies dat gedaan. Maar ze kwamen nog steeds te kort. De zonnestraling zou zuurstofmoleculen kunnen afbreken en de ruimte in kunnen blazen, maar dit proces lijkt te langzaam en inefficiënt om de seizoensgebonden dips te verklaren die de Curiosity heeft waargenomen. Misschien kan de langzame afbraak van kooldioxide in de atmosfeer zuurstof hebben vrijgemaakt, waardoor in de zomer een piek wordt veroorzaakt – maar ook dit proces zou te lang duren om de waargenomen pieken te veroorzaken.
Martian bodem is rijk aan zuurstofbevattende waterstofperoxide en perchloraten. De Viking-landers hebben aangetoond dat warme, vochtige lucht deze zuurstof kan vrijmaken, maar deze omstandigheden komen niet op een voldoende groot deel van de planeet voor – laat staan in de Gale Crater – om voldoende te zijn voor de SAM-gegevens. Een bombardement van de bodem met ioniserende straling van kosmische stralen en zonnestormen zou wel kunnen helpen, maar er is naar schatting een miljoen jaar voor nodig om de zuurstofpiek te bereiken die tijdens een eenzame lente is waargenomen.
We weten gewoon niet genoeg over Mars om vat te krijgen op deze specifieke puzzel, zegt Niles. Zo veel over zijn chemie – hoe gassen boven en binnen de planeet worden getransporteerd, welke bronnen en putten ze kunnen hebben – blijft hoogst onzeker. Voor zover we weten, zegt hij, kunnen gebeurtenissen in het verleden van Mars hebben samengespannen om enorme hoeveelheden zuurstof onder de grond op te sluiten, die nu om de een of andere reden weer in de atmosfeer terechtkomt.
Als het antwoord niet te vinden is in de levenloze lucht en rotsen van Mars, zou een cryptische, buitenaardse vorm van biologie hier dan de schuld van kunnen zijn? Op aarde zorgen fotosynthese en ademhaling door levende wezens voor minuscule schommelingen in de verder constante zuurstofconcentratie op onze planeet. Maar op Mars hoeven we dat niet te verwachten. “Dat is ver weg,” zegt Telling: Mars lijkt te onherbergzaam voor een kritische massa van leven dat in staat is een van beide processen in stand te houden. “
Telling zelf sluit een biologische verklaring niet uit, maar onderstreept niettemin de onwaarschijnlijkheid ervan. “Mensen in de gemeenschap zeggen graag dat het de verklaring van het laatste redmiddel zal zijn, want dat zou zo monumentaal zijn,” zegt ze. Er zijn abiotische mechanismen in overvloed, zowel bekende als onbekende, die eerst moeten worden uitgesloten voordat er sensationele beweringen worden gedaan.
Riding the Methane Rollercoaster
Dit zuurstofconflict doet denken aan het ondeugende methaan op Mars, een ander al lang bestaand mysterie van de Rode Planeet. Hoewel de lucht op Mars een aanhoudend laag achtergrondniveau van methaan bevat, hebben meerdere onafhankelijke groepen wetenschappers jarenlang dramatische, onvoorspelbare pieken in het methaangehalte in de atmosfeer waargenomen. Curiosity zag zo’n piek in 2013, en nog een aanzienlijk grotere piek in 2019. Vreemd genoeg zijn veel detecties van methaan op de grond niet bevestigd door ruimtevaartuigen die hoog boven het Marsoppervlak de atmosfeer onderzoeken, zoals ESA’s Trace Gas Orbiter en Mars Express.
Methaan heeft een breed scala aan bronnen en putten op aarde. Sommige zijn geologisch, maar veel zijn biologisch. Op Mars zou methaan in de lucht snel moeten afbreken, zodat wordt aangenomen dat pieken kort voor de detectie zijn ontstaan; dit feit heeft geleid tot speculaties over een bestaande microbiële voorloper op Mars als oorzaak van de door Curiosity waargenomen pieken. Maar net als bij zuurstof is “methaan ook een raadsel”, zegt Forget. Wetenschappers kunnen er weinig met zekerheid over zeggen, bijvoorbeeld of het op lokale, regionale of mondiale schaal voorkomt en waarom.
Als de methaanpieken op Mars echt zijn en worden veroorzaakt door een tot nu toe onbekend chemisch proces, zou dat volgens wetenschappers gevolgen moeten hebben voor andere gassen in de atmosfeer, maar zoiets is nog nooit waargenomen. Tot nu dan: Curiosity’s SAM-metingen suggereren dat het zuurstofgehalte, door de seizoenen heen, soms stijgt en daalt met de methaanconcentraties op Mars.
“Het is zeker geen perfecte match,” zegt Trainer; voor elk gas lopen de tijdstippen en de uiteinden van de pieken en dalen uiteen, wat suggereert dat beide gassen door verschillende combinaties van processen worden gestuurd. Als de veronderstelde onvolmaakt gesynchroniseerde dans tussen de twee gassen echter echt is, dan kan inzicht in het gedrag van de een ons helpen het andere te begrijpen.
Met zoveel vragen in de hand, hoe gaan we nu verder? Meer lucht snuiven aan het Marsoppervlak met SAM zou altijd welkom zijn, zegt Trainer; die gegevens kunnen worden ingevoerd in modellen en laboratoriumexperimenten die het mysterie van Mars’ manische zuurstof kunnen ontrafelen.
Curiosity snuift echter alleen gas in één enkel gebied, dus zijn gegevens zijn niet geschikt om te bevestigen of deze zuurstofachtbaan een lokaal of een wereldwijd verschijnsel is, zegt Patel. De Trace Gas Orbiter zou echter een grote hulp kunnen zijn. “
Ik durf er veel om te verwedden dat, als deze zuurstofvariatie echt is, het wel heel globaal moet zijn,” zegt Forget – en deze orbiter is in een goede positie om dat vast te stellen.
Het is nog te vroeg om te voorspellen of dit een kolossaal of een miniatuurverschijnsel zal zijn, een met een rudimentaire verklaring of een veel revolutionairder wortel. Op dit moment, zegt Trainer, is het enige wat we met zekerheid kunnen zeggen over de wilde zuurstofniveaus op Mars dat “we ons baseren op alle huidige kennis die we hebben en zeggen, goh, het klopt gewoon niet.”