Met bommen. Zo ontdeed de zon Mars van zijn atmosfeer en water.

In de complexe puzzel van het verleden van Mars is er één puzzelstukje dat planetaire geologen al decennialang proberen te leggen. Aan het begin van zijn bestaan ​​was de rode planeet, nu dor en droog, mogelijk een bruisende, waterrijke wereld, met machtige rivieren die meren zo groot als zeeën van water voorzagen. Uitgestrekte watervlakten die mogelijk de belofte van leven in zich droegen.

Tegenwoordig is de wereld om ons heen echter niets meer dan een desolate, dorre, bevroren woestijn, waar water, in de vorm van ijs, schaars is en niets meer dan de geest van een ooit nat verleden. Waar is al het water op Mars gebleven en waarom? Deze vraag, het ontbrekende puzzelstukje, kwelt wetenschappers al lang.

Nu, na meer dan tien jaar van nauwgezette observatie en analyse, heeft NASA's MAVEN -missie (Mars Atmosphere and Volatile Evolution), die sinds november 2013 in een baan om Mars draait, een ongrijpbaar mechanisme onthuld dat mogelijk het ontbrekende puzzelstukje is. Een 'atmosferisch ontsnappingsproces', ' sputteren ' genaamd, zou de sleutel kunnen zijn tot het begrijpen hoe Mars het overgrote deel van zijn water verloor. De ontdekking is zojuist gepubliceerd in ' Science Advances '.

Het Marsoppervlak vertelt geen verhaal: het is bezaaid met onmiskenbare littekens uit een veel natter verleden. Valleien die ooit rivieren waren, droge meerbodems en mineralen die alleen in de aanwezigheid van water ontstaan, zijn directe getuigen van een tijd waarin vloeibaar water vrij over de planeet stroomde.

En we weten dat Mars, om al dat vloeibare water te behouden, in het verleden een veel dichtere atmosfeer moet hebben gehad dan nu, een atmosfeer zoals die van de Aarde, die warmte kon vasthouden en een hoge oppervlaktedruk kon handhaven. Begrijpen wanneer en hoe die atmosfeer afnam, is essentieel om de klimatologische evolutie van de Rode Planeet te reconstrueren en vervolgens te bepalen hoe lang de planeet mogelijk bewoonbaar is gebleven.

De afgelopen jaren hebben wetenschappers steeds meer bewijs verzameld dat de zonnewind, de constante stroom geladen deeltjes die door de zon wordt uitgezonden, verantwoordelijk zou kunnen zijn voor het verlies van een groot deel van de atmosfeer van Mars. In april 2022 was de internationale astronomische gemeenschap getuige van hoe een krachtige zonnevlam 'over Mercurius heen trok' en in één klap een deel van de atmosfeer van de planeet wegvaagde . Het was een heftige en plotselinge gebeurtenis, anders dan en veel krachtiger dan de zonnewind, die een onafgebroken stroom is, maar de gebeurtenis maakte het vermogen van onze ster om planeten weg te vagen, overduidelijk.

Het gesputter dat de MAVEN-missie detecteert, is een ontsnappingsproces waarbij atomen door energetische geladen deeltjes uit de atmosfeer worden geblazen. "Het is alsof je een bom in een zwembad gooit", legt Shannon Curry uit, hoofdonderzoeker van MAVEN aan het Laboratory for Atmospheric and Space Physics van de University of Colorado Boulder en hoofdauteur van de studie. "Maar de bom, in dit geval, bestaat uit de zware ionen die heel snel de atmosfeer inslaan en neutrale atomen en moleculen verpulveren." Het is dus een constant "bombardement" van kleine kanonschoten die, net als het water in een zwembad, atomen en moleculen uit de bovenste atmosfeer van Mars "verpulveren", waardoor ze bevrijd worden van de zwaartekracht van de planeet en de ruimte in worden gelanceerd.

Hoewel wetenschappers eerder indirecte aanwijzingen voor dit 'sputteren' hadden gevonden, hadden ze het nooit direct waargenomen. Eerder bewijs kwam in feite uit de analyse van argonisotopen in de bovenste atmosfeer van Mars. Lichtere isotopen vestigen zich hoger in de atmosfeer dan hun zwaardere tegenhangers. Er werd ontdekt dat er veel minder lichte argonisotopen dan zware argonisotopen in de atmosfeer van Mars aanwezig waren, en het bleek dat deze lichtere isotopen alleen door sputteren verwijderd konden worden. "Het was alsof we de as van een kampvuur hadden gevonden", legt Shannon Curry uit. "Maar we wilden het vuur zelf – in dit geval het sputteren – direct zien."

Om sputteren in actie te kunnen zien, had het MAVEN-team gelijktijdige metingen op de juiste plaats en tijd nodig van drie instrumenten aan boord van het ruimtevaartuig: de Solar Wind Ion Analyzer, de Magnetometer en de Neutral Gas and Ion Mass Spectrometer. Onderzoekers hadden ook metingen nodig aan zowel de dag- als de nachtzijde van de planeet op lage hoogte, wat jarenlange observatie vergde.

Door de gegevens van deze instrumenten te combineren, konden de auteurs van de studie een nieuw type kaart maken van argonsputting in relatie tot de zonnewind. Deze kaart onthulde de aanwezigheid van argon op grote hoogte, precies op de plekken waar energetische deeltjes de atmosfeer raken en argon "sputteren", waardoor sputtering in realtime zichtbaar werd. De onderzoekers ontdekten ook dat het proces vier keer zo vaak voorkomt als eerder voorspeld, en dat dit tempo toeneemt tijdens zonnestormen.

Directe waarneming van sputtering in de atmosfeer van Mars bevestigt dat dit proces, zoals vermoed, een belangrijke bron van atmosferisch verlies was in de vroege geschiedenis van Mars, toen de activiteit van de zon veel intenser was. Het is belangrijk om te onthouden dat de jonge zon in zijn beginperiode actiever was en sterkere en frequentere zonnewind uitzond dan tegenwoordig, wat het effect van sputtering zou hebben versterkt.

"Deze resultaten", zegt Curry, "bevestigen de rol van sputteren bij het verdwijnen van de atmosfeer van Mars en bij het bepalen van de geschiedenis van water op Mars." De ontdekking zal wetenschappers eindelijk helpen de omstandigheden te begrijpen die ervoor zorgden dat er vloeibaar water op het Marsoppervlak kon bestaan ​​en welke gevolgen dit had voor de bewoonbaarheid van de planeet miljarden jaren geleden. Als er ooit leven op Mars heeft bestaan, is dat waarschijnlijk ontstaan ​​toen de planeet warmer en natter was. Sputteren biedt ons een kijkje in het verleden van Mars en stelt ons in staat beter te begrijpen hoe lang de Rode Planeet een gunstige omgeving voor leven is geweest.

Bovendien kan deze studie ook implicaties hebben voor het bepalen van de bewoonbaarheid van andere exoplaneten. Als een exoplaneet een atmosfeer heeft en wordt blootgesteld aan een sterke sterrenwind, kan sputteren een belangrijk mechanisme zijn van atmosferisch verlies, wat de mogelijkheid om leven te herbergen beïnvloedt.