Das Aufdecken des potenziell bewohnbaren Klimas des alten Mars ist ein wichtiger Teil der Mission der NASA, das Unbekannte zu erforschen und zu verstehen, die Menschheit zu inspirieren und zu fördern – und seit 10 Jahren ist der Rover Curiosity auf dem Roten Planeten an dem Fall beteiligt.
Aus diesem Anlass sind hier fünf der bedeutendsten Entdeckungen, die Wissenschaftler mit der Instrumentenreihe Sample Analysis at Mars (SAM) von Curiosity gemacht haben. SAM ist eines der leistungsstärksten astrobiologischen Instrumente der NASA auf dem Mars. Entworfen und gebaut im Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, sucht und misst SAM organische Moleküle und leichte Elemente, die für das Leben, wie wir es kennen, wichtig sind. Um diese Aufgabe zu erfüllen, trägt SAM Komponenten, die Wissenschaftler aus der Ferne verwenden, um Marsproben zu testen.
1. Nachweis organischer Verbindungen auf dem Mars
Charles Malespin und Amy McAdam, die leitenden und stellvertretenden leitenden Ermittler von SAM bei Goddard, sind sich über die bedeutendste Entdeckung von SAM einig: SAM entdeckte organische Moleküle in Gesteinsproben, die aus dem Gale-Krater des Mars entnommen wurden. Organische Moleküle (diejenigen, die Kohlenstoff enthalten) könnten als Bausteine und „Nahrung“ für das Leben verwendet werden. Ihre Anwesenheit auf dem Mars deutet darauf hin, dass der Planet einst das Leben unterstützt haben könnte, wenn es jemals dort gewesen wäre.
Während die Isotope in Kohlendioxid und Methan, die während einiger SAM-Probenanalysen gemessen wurden, mit der uralten biologischen Aktivität übereinstimmen könnten, die die beobachteten organischen Stoffe produziert, gibt es auch nicht lebensbasierte Erklärungen – zum Beispiel könnte dieses Isotopensignal das Ergebnis einer Wechselwirkung sein zwischen ultraviolettem Licht der Sonne und Kohlendioxid in der Marsatmosphäre, wodurch organische Stoffe entstehen, die an die Oberfläche fallen, kein Leben erforderlich.
Insgesamt motivieren diese Ergebnisse laufende und zukünftige Studien mit SAM und der gesamten Curiosity-Instrumentensuite sowie andere Planetenmissionen, die nach Beweisen für bewohnbare Umgebungen und Leben außerhalb der Erde suchen.
2. Methanvariabilität
Unter Verwendung des durchstimmbaren Laserspektrometers von SAM, das am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien entwickelt wurde, haben Wissenschaftler Schwankungen in der Methankonzentration in der oberflächennahen Atmosphäre, in der Curiosity Proben sammelt, festgestellt. Auf der Erde gelangt der größte Teil des in der Atmosphäre vorhandenen Methans durch Prozesse des Lebens dorthin und variiert aufgrund von Änderungen in biologischen Prozessen, aber wir wissen nicht, ob dies auf dem Mars der Fall ist.
Curiosity ist nicht in der Lage festzustellen, ob das entdeckte Methan aus biologischen Prozessen stammt oder nicht, aber die zahlreichen Missionen des Roten Planeten setzen das verlockende Puzzle zusammen.
3. Gesteinsformation und Expositionsalter im Krater Gale
Curiosity war erst etwas mehr als ein Jahr auf dem Mars, als Wissenschaftler dank SAM erstmals sowohl das Entstehungs- als auch das Expositionsalter eines Gesteins auf der Oberfläche eines anderen Planeten bestimmten.
Die Felsen rund um den Rand des Kraters Gale wurden vor etwa 4 Milliarden Jahren geformt und dann als Sedimente zur Yellowknife Bay transportiert. „Hier wurden sie begraben und wurden zu Sedimentgestein“, sagte McAdam. Von dort aus brachen Verwitterung und Erosion langsam zusammen und setzten die Felsen vor etwa 70 Millionen Jahren der Oberflächenstrahlung aus. Abgesehen von Einblicken in die Erosionsraten des Mars ermöglicht das Wissen darüber, wie lange eine Probe exponiert war, den Wissenschaftlern, mögliche strahlungsinduzierte Veränderungen organischer Verbindungen zu berücksichtigen, die die Fähigkeit beeinträchtigen könnten, potenzielle Biosignaturen zu identifizieren.
„Das Altersdatierungsexperiment war vor dem Start nicht geplant“, sagte McAdam. „Aber die Flexibilität bei Design und Betrieb von SAM und das Engagement eines Teams von Wissenschaftlern und Ingenieuren ermöglichten die erfolgreiche Durchführung.“
4. Eintauchen in die Geschichte des Wassers auf dem Mars
SAM hat auch Licht in die feuchtere Vergangenheit des Mars geworfen und wie der Planet ausgetrocknet ist. Wasser ist für das Leben, wie wir es kennen, von entscheidender Bedeutung, und „mehrere Beweise deuten darauf hin, dass die Felsen des Kraters Gale eine reiche Geschichte des Wassers aufweisen“, sagte Malespin. Ein Teil dieses Beweises ist das Vorhandensein von Jarosit, einem rötlich-gelben Mineral, das nur in wässrigen Umgebungen gebildet wird, sagte McAdam. Ein Altersdatierungsexperiment mit SAM und einem anderen Curiosity-Instrument (APXS) ergab, dass Jarosit Hunderte Millionen Jahre jünger ist als erwartet.
Dieser Befund deutet darauf hin, dass, selbst als ein Großteil der Marsoberfläche trocken wurde, etwas flüssiges Wasser unter der Oberfläche in der Umgebung des Gale-Kraters verblieb, wodurch die Bewohnbarkeitsdauer für möglicherweise vorhandene Marsmikroben verlängert wurde.
Darüber hinaus lieferten Analysen von SAM Einblicke in den Verlust der Marsatmosphäre, der zu seiner langfristigen Entwicklung vom frühen warmen und feuchten Zustand zum aktuellen kalten und trockenen Zustand führte. Wasser, H2O, enthält zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom. Der Wasserstoff kann gegen eine schwerere Form von sich selbst, Deuterium, ausgetauscht werden. Durch die Messung des Verhältnisses von Deuterium zu Wasserstoff in seinen Proben deckte Curiosity Beweise für eine Geschichte von Wasserstoffaustritt und Wasserverlust auf dem Mars auf.
5. Biologisch nützlicher Stickstoff
Auf der Erde ist Stickstoff ein wesentlicher Bestandteil des Lebensrezepts – aber nicht irgendein Stickstoff ist dafür geeignet. Damit die meisten biologischen Prozesse sie nutzen können, müssen die Stickstoffatome zunächst „fixiert“ werden: befreit von ihrer starken Tendenz, nur mit sich selbst zu interagieren. „Fester Stickstoff wird für die Synthese von DNA, RNA und Proteinen benötigt“, sagte Malespin. „Das sind die Bausteine des Lebens, wie wir es kennen.“
SAM wies festen Stickstoff in Form von Nitrat in Gesteinsproben nach, die es 2015 analysierte. Der Befund deutete darauf hin, dass vor 3,5 Milliarden Jahren biologisch und chemisch nutzbarer Stickstoff auf dem Mars vorhanden war.
„Während dieses Nitrat schon früh in der Geschichte des Mars durch thermische Schocks bei Meteoriteneinschlägen entstanden sein könnte“, sagte McAdam, „ist es möglich, dass sich heute einige in der Marsatmosphäre bilden.“
Kein Befund von SAM oder den anderen Instrumenten von Curiosity kann einen positiven Beweis für früheres Leben auf dem Mars liefern, aber vor allem schließen diese Entdeckungen dies nicht aus. Anfang dieses Jahres verlängerte die NASA die Mission von Curiosity bis mindestens ins Jahr 2025, sodass sich der Rover und sein mobiles SAM-Chemielabor auf die verlockende Frage der Bewohnbarkeit des Mars konzentrieren konnten.