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美国宇航局“好奇号”火星车发现了埋藏在岩石中的寒冷的古代火星线索

美国宇航局“好奇号”火星车发现了埋藏在岩石中的寒冷的古代火星线索

通过研究今天火星上的化学元素包括碳和氧;科学家们可以回溯过去,拼凑出一颗曾经具备维持生命所需条件的行星的历史。

从大约1.4亿英里(2.25亿公里)以外的地方,一个元素一个元素地编织这个故事是一个艰苦的过程。但是科学家并不是那种容易被吓倒的类型。火星上的轨道飞行器和漫游者已经证实火星曾经有液态水,这要归功于一些线索,包括干涸的河床、古老的海岸线和含盐的表面化学物质。利用美国宇航局的“好奇号”探测器,科学家们发现了存在寿命较长的湖泊的证据。他们还挖掘出了有机化合物,即生命的化学组成部分。液态水和有机化合物的结合迫使科学家们继续在火星上寻找过去的痕迹。或出现本;的生活。

尽管到目前为止科学家们已经找到了诱人的证据,对火星历史的了解仍在不断展开,有几个主要问题有待讨论。首先,火星古老的大气层是否足够厚以保持地球的温暖和湿润,以维持生命萌芽和孕育所需的时间?有机化合物:它们是生命的迹象吗?或者是火星岩石与水和阳光相互作用产生的化学反应?

在最近一期《自然》杂志的天文学报告中,一组科学家提出了一些有助于解答这些问题的见解。他们在位于火星好奇心内部的化学实验室进行了一项为期多年的实验,名为“火星样品分析”(SAM)。研究小组发现,盖尔陨石坑岩石中的某些矿物质可能形成于一个冰雪覆盖的湖泊。这些矿物质可能是在夹在温暖期之间的寒冷期形成的,也可能是在火星失去大部分大气层并开始永久变冷之后形成的。

美国宇航局“好奇号”火星车发现了埋藏在岩石中的寒冷的古代火星线索

盖尔陨石坑的大小相当于康涅狄格州和罗德岛的总和。它被选为2012年“好奇号”的着陆点,因为它有过去水的迹象,包括可能有助于捕获和保存古代有机分子的粘土矿物。事实上,在探索位于陨石坑中心的山——夏普山的底部时,“好奇号”发现了一层厚达1000英尺(304米)的沉积物,这些沉积物是作为古湖泊的泥浆沉积下来的。一些科学家说,要形成如此多的沉积物,需要数百万到数千万年的温暖和潮湿的时间,会有难以置信的大量的水流入这些湖泊。但是陨石坑的一些地质特征也暗示了过去的寒冷和冰冻环境。

在某种程度上,马表面环境肯定经历了从温暖潮湿到寒冷干燥的转变,就像现在一样,但这究竟是何时以及如何发生的仍然是一个谜。位于马里兰州格林贝尔特的美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的地球化学家希瑟·弗朗茨说。

弗朗茨领导了山姆的研究,他注意到一些因素,比如马塞诸塞州的变化;倾斜和火山活动的数量可能导致火星的气候随着时间在温暖和寒冷之间交替。这一观点得到了火星岩石的化学和矿物变化[3]的支持,这些变化表明,一些层在较冷的环境中形成,而另一些层在较温暖的环境中形成。

弗兰兹说,到目前为止,“好奇号”收集到的大量数据表明,研究小组正在寻找岩石中记录的火星气候变化的证据。

火星气候故事中的碳氧星

在SAM实验室从13个尘埃和岩石样本中提取出二氧化碳和氧气之后,弗兰兹的团队发现了寒冷远古环境存在的证据。好奇号在地球5年的时间里收集了这些样本。

二氧化碳是由一个碳原子和两个氧原子结合而成的分子,碳是火星神秘气候的关键证人。事实上,这种简单但用途广泛的元素在寻找其他地方的生命时就像水一样重要。在地球上,碳在空气、水和地表不断流动,形成一个众所周知的循环,这与生命息息相关。例如,植物以二氧化碳的形式从大气中吸收碳。作为回报,它们产生氧气,在这个过程中,人类和大多数其他生命形式使用氧气进行呼吸,并最终通过二氧化碳释放回空气中,或在生命形式死亡和被埋葬时释放到地球的地壳中。

美国宇航局“好奇号”火星车发现了埋藏在岩石中的寒冷的古代火星线索

科学家们发现火星上也有碳循环,他们正在努力了解它。至少在过去的30亿年里,火星上的水很少,表面生命丰富,因此它的碳循环与地球的大不相同。

然而,碳循环仍然在发生,而且仍然很重要,因为它不仅有助于揭示有关火星的信息;古气候,”;美国宇航局戈达德太空总署(NASA Goddard)太阳系探索部门的负责人、SAM的首席研究员保罗·马哈菲(Paul Mahaffy)说。这也向我们表明,火星是一个充满活力的星球,它的循环元素是我们所知的生命的基石。

这些气体为寒冷时期提供了条件

在“好奇号”将岩石和灰尘样本送入山姆体内后,实验室将每一个样本加热到近1650华氏度(900摄氏度),以释放里面的气体。通过观察释放二氧化碳和氧气的烤箱温度,科学家们可以知道这些气体来自哪种矿物质。这类信息有助于他们了解碳在火星上是如何循环的。

各种各样的研究表明,Mars’古代的大气主要含有二氧化碳,可能比今天的地球还要厚。其中大部分已经流失到太空,但也有一些可能以碳酸盐的形式储存在行星表面的岩石中,碳酸盐是由碳和氧构成的矿物质。在地球上,当空气中的二氧化碳被海洋和其他水体吸收,然后矿化成岩石时,就会产生碳酸盐。科学家们认为,同样的过程也发生在火星上,这可能有助于解释火星大气的变化。

然而,火星探测任务并没有在火星表面找到足够的碳酸盐来维持厚厚的大气层。

尽管如此,萨姆确实探测到的少量碳酸盐,通过储存在其中的碳和氧的同位素,揭示了火星气候的一些有趣之处。同位素是每个元素不同质量的版本。因为不同的化学过程,从岩石的形成到生物活动,以不同的比例使用这些同位素,岩石中重同位素与轻同位素的比例为科学家提供了了解岩石如何形成的线索。

在SAM发现的一些碳酸盐中,科学家们注意到氧同位素比火星大气中的要轻。这表明,这些碳酸盐并不是很久以前从大气中吸收到湖中的二氧化碳形成的。如果有的话,岩石中的氧同位素会比空气中的略重一些。

然而,有可能碳酸盐是在火星早期形成的。弗兰兹和她的同事们认为,从历史上看,当时的大气成分与现在稍有不同,这些碳酸盐更有可能是在结冰的湖泊中形成的。在这种情况下,冰可能吸收了重的氧同位素,留下最轻的同位素形成后来的碳酸盐。“好奇号”的其他科学家[4]也提出了证据,表明盖尔环形山中可能存在冰湖。

那么碳呢?

科学家说,火星上碳酸盐岩的低丰度令人费解。如果盖尔环形山没有很多这样的矿物,也许早期的大气比预测的要稀薄。或者可能是别的什么东西在储存大气中丢失的碳。

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根据他们的分析,弗朗茨和她的同事提出,一些碳可以被隔离在其他矿物质中,比如草酸盐,它以不同于碳酸盐的结构储存碳和氧。他们的假设是基于SAM和mdash;对于碳酸盐来说太低了,但是对于草酸盐来说刚刚好;和科学家们在碳酸盐中发现的不同碳氧同位素比率。

草酸盐是地球上植物产生的最常见的有机矿物。但是草酸盐也可以在没有生物作用的情况下产生。一种方法是通过大气中的二氧化碳与表面矿物质、水和阳光的相互作用,这一过程被称为非生物光合作用。这种化学物质在地球上很难找到,因为这里有丰富的生命,但弗兰兹的团队希望在实验室中创造非生物光合作用,以弄清它是否真的与盖尔环形山的碳化学物质有关。

在地球上,非生物的光合作用可能已经在一些最早的微观生命形式中为光合作用铺平了道路,这就是为什么在其他行星上发现它会引起天体生物学家的兴趣。

即使非生物光合作用将大气中的一些碳锁定在盖尔陨石坑的岩石中,弗朗茨和她的同事们仍想研究火星不同地区的土壤和尘埃,以了解盖尔陨石坑的研究结果是否反映了一幅全球图景。他们可能有一天有机会这样做。美国宇航局“坚忍”号火星探测器将于2020年7月至8月间发射至火星,它计划在Jezero陨石坑内收集样本,以便可能返回地球上的实验室。

引用:

盖尔陨石坑碳、氧同位素推断的本地和外源有机物和地表大气循环;通过h·b·弗朗茨·p·r·Mahaffy c·r·韦伯斯特g . j . Flesch e . Raaen c . Freissinet s . k . Atreya c . h .房子,a·c·麦克阿当·c·a·努森p·d·阿彻,j·c·斯特恩,a·斯蒂尔b·萨特j . l . Eigenbrode d . p . Glavin j·m·t·刘易斯,c . a . Malespin文澜m, d . w .明,r . Navarro-Gonzá lez r . e .召唤,2020年1月27日,自然天文学。

DOI: 10.1038 / s41550 - 019 - 0990 - x

盖尔环形山古湖泊沉积物的沉积、掘出和古气候;j·p·格罗,古普塔,m·c·马林·d·m·鲁宾,j . Schieber k . Siebach d . y .萨姆纳k . m .堆栈,a . r . Vasavada r . e . Arvidson f . Calef三世,l·埃德加·w·f·费舍尔,j·a·格兰特,j .夹子l . c . Kah m p .羊肉、k·w·刘易斯,n . Mangold m . e . Minitti m . Palucis m .大米,r·m·e·威廉姆斯,r . a . Yingst d·布莱克,d ?布莱尼·康拉德j .脆w·e·迪特里希g . Dromart k . s . Edgett r·c·尤因,r·盖特纳j . a .霍尔维茨g . Kocurek p . Mahaffy m . j .麦克布莱德S. M. McLennan, M. Mischna, D. Ming, R. Milliken, H. Newsom, D. Oehler, T. J. Parker, D. J. Vaniman, R. C. Wiens and S. A. Wilson, 2015年10月9日,《科学》。

DOI: 10.1126 / science.aac7575

盖尔陨石坑细粒沉积岩的化学蚀变作者:N. Mangolda, E. Dehouck, C. Fedo, O. Forni, C. Achilles, T. Bristow, R. T. Downs, J. Frydenvang, O. Gasnault, J. L’Haridon, L. Le Deit, S. Maurice, S. M. McLennan, P.-Y。Meslin, S. Morrison, H. E. Newsom, E. Rampe, W. Rapin, F. Rivera-Hernandez, M. Salvatore and R. C. Wiens, 2018年11月17日,Icarus。

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