Curiosity atrado elementinės sieros kristalus Marse

Kai NASA zondas Curiosity netyčia sutraiškė iš pirmo žvilgsnio įprastą uolą Gediz Vallis dugne, jis atvėrė ryškų ir netikėtą radinį: grynus geltonus elementinės sieros kristalus. Šis atradimas keičia mokslininkų supratimą apie vietinę Marso cheminių sąlygų istoriją ir kelia naujų klausimų apie raudonosios planetos geologinę praeitį.

An accidental reveal: how a wheel became a geologist

2024 m. gegužę Curiosity — 899 kilogramų sveriantis marsaeigis, tyrinėjantis Gale kraterį — pravažiavo per trapų mineralinį gumbą, kuris akimirksniu subyrėjo po ratais. Kameros ir spektrometrai užfiksavo ką tik atidengtą užpildą: ryškiai geltonus kristalus, identifikuotus kaip elementinė siera (brimstone). Nors sulfatai yra plačiai paplitę Marse, grynos, elementinės sieros radinys šiame Marso rajone yra precedento neturintis.

The sulfur Curiosity found on Mars

Šis radinys yra įdomus ne tik dėl pačios sieros, bet ir dėl konteksto: Gediz Vallis matosi daugybė kitų akmenų, panašių į tą gumbą, kurį netyčia sutraiškė Curiosity. Toks pasiskirstymas leidžia manyti, kad elementinė siera gali būti vietoje gausesnė nei manyta — galimybė, kuri reikalauja paaiškinimo ir naujų hipotezių apie Marso geochemines sąlygas.

Tyrinėjant šias vietas, mokslininkai atkreipia dėmesį į tekstūras, grūdus ir tarpus tarp akmenų — visi šie požymiai gali suteikti užuominų apie uolienų kilmę, vėjo poveikį, paviršinį cheminį apdorojimą ir bet kokias anksčiau vykusias hidrotermines procesijas.

Why pure sulfur is a geological surprise

Siera Marse dažniausiai randama sulfato pavidalu: tai mineralai, susidarantys, kai siera susijungia su deguonimi ir kitais elementais vandenyje, o vėliau, kai vanduo išgaruoja, šios medžiagos koncentruojasi. Sulfatai ilgą laiką buvo vienas iš pagrindinių įrodymų, rodžiusių, kad Marse kadaise egzistavo skystas vanduo ir galimos gyvenamos cheminės sąlygos.

Grynoji, elementinė siera susidaro rečiau ir tik tam tikromis aplinkybėmis. Žemėje ji dažnai aptinkama šalia vulkaninių fumarolių, hidroterminių angų arba cheminių reakcijų, kai vandenilio sulfidas oksiduojasi ir lieka elementinė siera. Tokie procesai paprastai reikalauja specifiškų temperatūros, oksidacijos-redukcijos (redoks) ir dujų sudėties sąlygų. Iki šiol jokie plačiai priimti Gediz Vallis aplinkos modeliai nenumatė elementinės sieros formavimosi ar nusėdimo matomuose, prie paviršiaus esančiuose sluoksniuose.

Šis neatitikimas tarp modelių ir radinio skatina peržiūrėti vietos geocheminius scenarijus: ar siera susidarė vietoje, ar buvo atvežta iš toliau? Ar procesai vyko trumpalaikio hidroterminio impulso metu, ar dėl ilgalaikių atmosferinių ir cheminio apdorojimo reiškinių?

Suprasti grynos sieros atsiradimą reikalauja detalių bandymų, palyginimų su Žemės analogais ir naujų geocheminių modelių. Tokios studijos padeda ne tik suvokti Marso mineralogiją, bet ir nustatyti galimas vietas tolimesniems mėginių surinkimo planams.

What the instruments told us

Curiosity turi sudėtingą instrumentų rinkinį, skirtą chemijai identifikuoti tiek iš tolo, tiek arti: Mastcam vaizdavimo sistema, ChemCam lazerinė spektroskopija, APXS elementinė analizė, CheMin rentgeno difrakcija ir SAM dujų bei lakiųjų junginių analizatorius. Derinant vaizdų duomenis su spektroskopinėmis išraiškomis, misijos mokslininkai patvirtino, kad ryškiai geltoni grūdeliai yra elementinė siera, o ne sulfato dangos ar kitos mineralinės fazės rezultatas.

A rock very similar to the one broken by Curiosity, photographed nine days after the sulfur discovery

Kadangi marsaeigis netyčia sutraiškė uolą, inžinieriai ir mokslininkai gavo reta proga analizuoti šviežią paviršių be gręžimo ar šlifavimo. Tokie natūralūs atviri sluoksniai suteikia vertingą informaciją apie tarpus tarp grūdų, kristalų formą ir galimą paviršinių cheminį apdorojimą, kas būtų sunku atskleisti kitaip.

Be to, instrumentų kombinacija leidžia lyginti spektrus su laboratoriniais duomenų rinkiniais, patikrinti elementų santykius (pavyzdžiui, sieros ir kitų metalo elementų) ir įvertinti galimą sieros amžių bei stabilumą Marso paviršiuje per geologines eros fazes.

Spektroskopiniai, difraktometrijos ir elementų analizės duomenys kartu padeda atmesti alternatyvias interpretacijas — pavyzdžiui, ar geltona spalva gali būti dėl dažiklių, organinių junginių ar neryškių paviršinių nuosėdų. Tokie tarpkryptiniai patikrinimai sustiprina identifikacijos patikimumą.

Implications for Martian chemistry and habitability

Elementinė siera turi biocheminę reikšmę: Žemėje ji dalyvauja cikluose, palaikančiuose mikrobinį gyvenimą, o sulfatus turintys mineralai yra viena iš priemonių, kurias organizmai naudoja įsisavindami sierą aminorūgštims ir baltymams. Sulfatų buvimas Marse ilgą laiką buvo dalis mozaikos, leidžiančios spėti apie anksčiau egzistavusias gyvenamąsias chemines sąlygas.

Naujasis elementinės sieros radinys neįrodo gyvybės buvimo, tačiau išplečia mūsų supratimą apie Marso cheminių medžiagų rinkinį ir procesų įvairovę, kurie formavo planetos paviršių. Tai taip pat turi įtakos potencialiems biocheminių žymenų paieškos planams, nes skirtingos sieros formos turi skirtingą biologinį ir geocheminį kontekstą.

Galimi formavimo scenarijai apima:

• Vietinę vulkaninę arba hidroterminę veiklą praeityje, kurios metu susidarė sierą turinčios dujos, vėliau kondensavusios ir nusėdusios, kai aplinka atvėso.
• Oksidacijos-redukcijos reakcijas, kurių metu sieros turinčios skysčių fazės nusėdo elementinę sierą dėl netipinių redoks sąlygų.
• Perkėlimą ir nusėdimą iš tolimesnio šaltinio, po kurio vyko lokalus cheminis pakeitimas paviršiuje.

Kiekviena iš šių hipotezių reikalauja detalaus geocheminio modeliavimosi ir daugiau lauko duomenų. Kai kurios scenarijos numato laikinas šiltesnes ar redukuojančias aplinkas Marso istorijoje, kas būtų svarbu atstatant planetos evoliuciją ir vertinant potencialias sąlygas, palankias mikrobinio gyvenimo egzistavimui.

Tyrėjai taip pat analizuos ryšius tarp sieros depozitų ir kitų mineralų, tokių kaip geležies oksidai ar klintys, nes tokie asociatyvūs rinkiniai gali nurodyti bendrus kilmės procesus arba sekas sodrumo ir atmosferos pokyčių Marse.

Next steps for Curiosity and researchers

Mokslininkai toliau žemėlapiuos sierai panašių akmenų pasiskirstymą Gediz Vallis ir lygins jų tekstūras bei chemines sudėtis. Laboratorinis modeliavimo darbas, eksperimentai ir skaičiavinės geocheminės simuliacijos bus naudojamos, siekiant susiaurinti įmanomus formavimo mechanizmus.

Curiosity toliau fiksuos artimus vaizdus ir spektrus; kur tai saugu ir įmanoma, komanda gali tikslinti panašius akmenis papildomai analizei arba gręžimui. Tokie stebėjimai padės suprasti, ar radinys yra lokalus reiškinys, ar tęstinė zonos savybė.

Curiosity has collected 42 powderized rock samples with the drill on the end of its robotic arm. All 42 holes made by the drill are shown here.

Be aprašytų veiksmų, tyrėjai planuoja integruoti Curiosity duomenis su orbitinių misijų, pavyzdžiui, Mars Reconnaissance Orbiter, vaizdais ir spektriniais matavimais. Toks tarpplatforminis duomenų sujungimas gali padėti nustatyti platesnį sieros depozitų kontekstą ir galimas ryšio linijas su geologinėmis struktūromis, tokiomis kaip senos upių vagos ar išsiveržimų kalderos.

Svarbu taip pat numatyti, kaip šie radiniai paveiks būsimas misijas: ar verta taikyti griežtesnes vietinių vietovių analizės schemas, ar integruoti specifinius instrumentus, skirtus sieros izotopų tyrimui, kurie gali duoti informacijos apie kilmę ir cheminių reakcijų istoriją.

Expert Insight

'Tokio pobūdžio netikėta mineralogija primena, kad Marsas išlieka dinamiška archyvas,' sakė dr. Elena Marquez, planetų geocheminė tyrėja Imaginary Planetary Institute. 'Elementinė siera nukreipia mus į lokalizuotas chemines „fabrikas" Marso praeityje — galbūt hidrotermines pulsuotes ar sierą turinčių dujų išsiveržimus. Kelias nuo atradimo iki paaiškinimo susijungs iš marsaeigio duomenų, laboratorinių eksperimentų ir modelių. Tai taip pat gali nukreipti, kur ateities mėginių surinkimo misijos turėtų taikyti uolienas grąžinimui į Žemę.'

Praktiškai šis radinys pabrėžia judrios lauko darbų vertę kitose planetose. Marsaeigio mobilumas kartu su plačiu instrumentų spektru leidžia mokslininkams atsitiktinai atrasti ir greitai tirti anomalijas, kurias statiniai lektuvai ar stacionarūs nusileidimo aparatai greičiausiai praleistų.

Be to, šis atvejis akcentuoja tarpdisciplininio požiūrio svarbą: geochemikai, mineralogai, planetologai ir inžinieriai turi glaudžiai bendradarbiauti, kad maksimaliai išnaudotų netikėtus radinius ir juos kontekstualizuotų platesnėje Marso istorijos skaidoje.

What this means for future exploration

Supratimas, kaip ir kodėl elementinė siera atsirado Gediz Vallis, padės patikslinti nusileidimo vietos atranką ir mėginių ėmimo strategijas būsimoms misijoms. Jeigu sieros depozitai nurodo ankstesnes hidrotermines aplinkybes, jie gali tapti aukštos prioritetinės reikšmės tikslais mėginių paruošimui grąžinimui į Žemę ir biosignatūrų paieškai.

Tuo tarpu Perseverance ir kitos misijos toliau plečia mūsų Marso pažinimo spektrą — o Curiosity vis dar teikia atradimus, kurie stumia planetų mokslus į priekį. Kiekvienas naujas radinys praplečia geocheminės duomenų bazės ribas ir padeda formuoti kryptis tolimesniems tyrimams, instrumentų kūrimui bei misijų prioritetams.

Ateities misijos galės integruoti šiuos duomenis į platesnius Marso bandymų planus: nuo papildomų spektrometrų ir gręžimo priemonių iki izotopinių analizatorių ir mažų robotizuotų sistemų, skirtų tyrinėti specifinius sieros koncentracijų taškus. Tokios priemonės gali atskleisti ne tik cheminę sieros kilmę, bet ir jos santykį su galimais organiniais junginiais ar kitomis gyvenimui reikšmingomis medžiagomis.

Galiausiai, šis radinys tarnauja priminimu: net gerai ištirtose zonose, kur buvo daug mokslo veiklos, mobilūs instrumentai gali surasti naujus anomališkus taškus — ir kiekvienas toks taškas suteikia galimybę persvarstyti ilgalaikes hipotezes apie Marso klimatą, hidrologiją ir geologiją.