Mars ontraadseld?

De Amerikaanse president Bush heeft grootse plannen met Mars. Als het aan hem ligt, moet het ruimtevaartagentschap NASA vooral doorgaan met zijn Mars Exploration Program. Dat programma heeft drie doelstellingen: bepalen of er ooit leven is geweest op Mars, in kaart brengen hoe het klimatologische en geologische verleden van de planeet is geweest, en voorbereidingen treffen voor een bemande landing. Dat is nogal wat – zeker als je bedenkt dat tot nu toe twee van de drie Marsmissies mislukt zijn. De Rode Planeet laat zich niet zo maar even ontraadselen!

Leven op Mars?

Op de keper beschouwd blijkt het ‘Mars-raadsel’ steeds weer herleidbaar tot die ene vraag: ‘Is er leven (geweest)?’. In dat opzicht is er in dertig jaar eigenlijk weinig veranderd. Want in het boek van Wanders lezen we al: ‘Tweemaal in de afgelopen jaren heeft het er naar uitgezien dat nu toch definitief sporen van leven op Mars zouden zijn opgemerkt. De eerste keer in 1958, toen dr. Sinton op Mount Wilson in het infrarode spectrum van de planeet bij een golflengte van 3,5 mu een drietal zwakke, tot dan toe onbekende absorptiebanden ontwaarde. Twee ervan bevonden zich precies op de plaatsen waar ook plantengroei ze vertoont. [...] Helaas moest de verrassende vondst later worden teruggetrokken, nadat was komen vast te staan dat de bewuste banden niet op Mars maar aan onze eigen dampkring ontsproten. [...]
Het tweede geval speelde zich af in 1969, in de lokaliteiten van het Jet Propulsion Laboratory, waar dr. George Pimentel de opnamen met de infraroodspectrometer, die de Mariner 7 naar de aarde had getelemetreerd, aan een zorgvuldige analyse onderwierp. In het spectrum van de witte zuidpoolkap ontdekte hij bij [een golflengte van] 3 mu twee infrarode absorptielijnen, die naar hun golflengten nauwkeurig klopten met die van de ‘organische’ stoffen methaan (aardgas, of moerasgas) en ammoniak. [...]’
Ook dit ‘tweede geval’ bleek op een verkeerde interpretatie van meetresultaten te berusten. De waargenomen absorptiebanden bleken niet van methaan of ammoniak afkomstig te zijn, maar gewoon van bevroren koolzuurgas. Mars was en bleef een dode wereld... totdat in 1976 de Amerikaanse Viking-landers op het oppervlak neerdaalden.

Monsters

De Vikings hadden biologische experimenten aan boord, waarbij allerlei stofjes aan monsters Marsbodem werden toegevoegd. Het was de bedoeling dat de experimenten zouden uitwijzen of er zoiets als micro-organismen in de bodemmonsters zaten, die de aangeboden voedingsstoffen zouden opnemen. De resultaten waren niet eenduidig: er werden weliswaar reacties gemeten, maar deze kon men ook zónder microscopisch kleine Marsbewonertjes verklaren (zie kader ‘Leven in Chili?’). Een veeg teken was bovendien dat er geen meetbare hoeveelheden organische verbindingen op de planeet werden aangetroffen. Daarbij moet overigens worden aangetekend dat de detector die de Vikings daarbij gebruikten – een gaschromatograaf-massaspectrometer – niet gevoelig genoeg was om de kleinst mogelijke hoeveelheden koolstofverbindingen op te sporen die nodig zouden zijn om een kolonie micro-organismen in stand te houden. Helemaal afgesloten is de discussie over de Viking-resultaten dus nog steeds niet, en het is juist daarom ook bijzonder jammer dat de Beagle 2 verloren lijkt te zijn gegaan. Want de instrumenten die deze kleine lander aan boord heeft zijn veel gevoeliger dan die van de beide Vikings, en hadden wellicht uitsluitsel kunnen geven – iets dat de beide Mars Exploration Rovers zeker niet kunnen.
In 1996 kreeg de ‘leven op Mars’-gedachte op andere wijze een nieuwe impuls. Uit onderzoek van een meteoriet die vrijwel zeker van Mars afkomstig is bleek dat deze sporen van leven bevatte. In scheurtjes in de meteoriet werden allerlei organische restanten aangetroffen, waarvan de ‘gefossiliseerde bacteriën’ het meest tot de verbeelding spraken (zie o.m. Zenit 23, blz. 404, oktober 1996).
Uiteindelijk is er van deze laatste ontdekking weinig heel gebleven. De ‘bacteriefossielen’ lijken toch echt het resultaat te zijn van chemische processen, en ook de overige verbindingen in de meteoriet die een organische oorsprong zouden kunnen hebben, zijn op andere wijze verklaard (Zenit 26, blz. 115, maart 1999). Wat restte was het sprankje hoop dat leven op Mars vroeger in elk geval niet onmogelijk hoeft te zijn geweest. Want sinds 2000 zijn er steeds meer aanwijzingen gevonden dat de Rode Planeet niet zo droog is als hij lijkt (Zenit 28, blz. 6-10, januari 2001). Op de vele scherpe opnamen die de afgelopen jaren van Mars zijn gemaakt zijn tal van geologische structuren te zien die zich het gemakkelijkst met vloeibaar water laten verklaren: geulen, rivierbeddingen, oceaankusten en wat al niet meer. En dat niet alleen: het zouden ook vrij recent gevormde structuren moeten zijn, omdat ze te vinden zijn in gebieden waar weinig of geen (kleine) inslagkraters worden aangetroffen.
Maar ook deze ‘bewijsstukken’ laten ruimte voor interpretatie: er is nog steeds een groep geofysici die denkt dat de erosiegeulen die bijvoorbeeld bij kraterkranden te zien zijn, zijn veroorzaakt door de plotselinge uitstroom van grote hoeveelheden kooldioxidegas. Dit gas, dat bij vulkanische processen vrijkomt, zou als een ‘glijmiddel’ hebben gefungeerd dat gewone lawines vloeistofachtige eigenschappen geeft. Anderzijds zijn er ook weer aanwijzingen dat zich in de Marsbodem inderdaad flinke hoeveelheden bevroren water bevinden (Zenit 29, blz. 304-309, juli/augustus 2002). Voor de ‘Leven op Mars’-fans is het te hopen dat de meetapparatuur aan boord van de beide Amerikaanse Marsrovers, waarvan de tweede volgens plan eind januari op de planeet geland zou moeten zijn, erin zal slagen de (vroegere) aanwezigheid van water onomstotelijk vast te stellen. Wellicht zullen zij dan ook antwoord kunnen geven op de vraag of dit water – in theorie – meer kan hebben gedaan dan Mars een rood kleurtje geven (zie kader ‘Kleurenraadsel’).

Veranderende tijden

Eén ding is zeker: op Mars zijn op dit moment geen rivieren en zeeën meer. De huidige klimaatomstandigheden laten die niet meer toe – de atmosfeer is veel te ijl. Maar wanneer is het fout gegaan met Mars, en vooral: waarom? Naast de vraag of er leven is geweest, is dit wel de kwestie die de Mars-onderzoekers het meest bezighoudt.
Wetenschappers zijn het er in grote lijnen over eens dat Mars in een grijs verleden een veel dichtere atmosfeer heeft gehad, en dat er vloeibaar water over de planeet stroomde. Het probleem is echter dat men nog steeds geen precieze leeftijdsbepalingen van de verschillende landschappen op Mars heeft: de kennis beperkt zich tot schattingen op basis van kratertellingen. Daaruit blijkt dat de oudste terreinen – ongeveer vier miljard jaar oud – op het zuidelijk halfrond te vinden zijn. Dat zijn ook de gebieden waar de belangrijkste sporen van stromend water gevonden worden: kronkelende rivierbeddingen. Bovendien vertonen de inslagkraters hier de meeste tekenen van erosie, die deels ook door water zou kunnen zijn veroorzaakt. Een voorbeeld hiervan is de Gusev-krater, de landingsplaats van de Marsrover Spirit.
De overgang naar een kouder, droger klimaat moet ongeveer 3,5 miljard jaar geleden hebben plaatsgevonden. Wat daar de oorzaak van was, is nog steeds niet helemaal duidelijk. Er zijn waarschijnlijk minstens drie processen in het spel geweest. De eerste betreft de grote inslagen van planetoïden die in deze periode op Mars plaatsvonden. Daarbij zou veel atmosferisch gas de ruimte in zijn geblazen: dat zou vijftig tot tachtig procent van de atmosfeer van vier miljard jaar geleden hebben weggevaagd.
Een ander erosieproces was de zonnewind. De geladen deeltjes van de zon zouden met name de lichtere ionen uit de toch al dunner wordende Marsatmosfeer hebben geketst. Dat wordt bevestigd door het feit dat elementen als argon, koolstof en zuurstof in de overgebleven ijle atmosfeer voor een betrekkelijk groot deel uit zware isotopen bestaan.
Het derde proces dat kan hebben bijgedragen tot het verdwijnen van de atmosfeer is de opname van atmosferische kooldioxide door het aanvankelijk nog aanwezige vloeibare water op Mars. Maar dat zou tot de vorming van bepaalde verbindingen (carbonaten) moeten hebben geleid. In de Marsbodem zijn inderdaad carbonaten aangetoond, maar niet in zo’n mate dat je daarmee het verdwijnen van een dichte atmosfeer zou kunnen verklaren. Zijn die carbonaten dieper in de bodem opgeslagen of bestaan ze gewoon niet?
Een bijkomende onzekerheid is de vulkanische activiteit op Mars. Bij vulkaanuitbarstingen komen grote hoeveelheden kooldioxide en waterdamp vrij, en het staat vrijwel vast dat het ontstaan van de grote vulkanen op de planeet sterk heeft bijgedragen tot de vorming van de oorspronkelijke atmosfeer. Zeker is ook dat het inwendige van Mars, door de kleinere omvang van de planeet, veel sneller is afgekoeld dan dat van de aarde. Dat betekent echter niet dat Mars allang vulkanisch ‘dood’ is: de meest recente lavastromen in het reusachtige Tharsis-gebied zijn niet veel ouder dan honderd miljoen jaar. En lavastromen in het Elysium-gebied, die blijkens opnamen van de Mars Global Surveyor vrijwel kraterloos zijn, zouden zelfs ‘pas’ een paar miljoen jaar geleden zijn ontstaan.
En dat is ongetwijfeld niet de enige activiteit die zich in het geologisch recente verleden van Mars heeft afgespeeld. Net als de aarde maakt de Rode Planeet forse klimaatschommelingen door, die zich afspelen op tijdschalen van enkele tienduizenden tot honderdduizenden jaren. De oorzaak daarvan moet worden gezocht bij periodieke bewegingen in de stand van de rotatieas en de excentriciteit van de baan van de planeet. De schommelingen bij Mars zijn, door het ontbreken van een forse maan, veel groter dan die bij de aarde. Ze verlopen bovendien veel chaotischer, wat het nog moeilijker maakt om zinvolle uitspraken te kunnen doen over recente klimaatveranderingen op de planeet. Recent onderzoek met de Mars Global Surveyor en de Mars Odyssey duidt er echter op dat het bevroren water dat op gematigde breedten in de bodem wordt aangetroffen bezig is te smelten. Dat zou erop kunnen wijzen dat de planeet bezig is om uit het koude dal van een ijstijd te klauteren.

Een geslaagde landing

Op het moment dat u dit leest, is hopelijk ook de tweede Mars Exploration Rover veilig op Mars aangekomen. En nummer één, Spirit, heeft als het goed is al vele tientallen meters over het oppervlak van de Rode Planeet gereden. Net als zijn reisgenoot, Opportunity, heeft hij in totaal ongeveer negentig dagen de tijd om zijn omgeving te verkennen.
Merkwaardig genoeg zullen de beide Marsrovers bij hun speurtocht naar water voornamelijk naar stenen kijken. Wat NASA ‘zoeken naar water’ noemt is eigenlijk niets anders dan het onderzoek van de mineralogisch samenstelling van de gesteenten die op het Marsoppervlak te vinden zijn. Uit de soorten mineralen die gevonden worden, hoopt men te kunnen afleiden hoe deze zijn gevormd, en of daarbij (veel water) nodig was. Zo hoopt men bijvoorbeeld onderscheid te kunnen maken tussen gesteenten die in stromend water zijn gevormd en gesteenten die kenmerkend zijn voor sedimenten die op de bodem van een meer zijn afgezet. De Gusev-krater lijkt een ideale plek om naar dat soort gesteenten te zoeken: hij ligt aan het eind van een lange, kronkelige vallei die dwars door de krater heen gaat. Als hier water heeft gestroomd, zou de krater deels zijn ondergelopen en zou zich een kratermeer kunnen hebben gevormd. Of de eventueel daarbij gevormde sedimenten nog aan het oppervlak liggen is echter twijfelachtig, omdat ze bedolven kunnen zijn onder latere vulkanische afzettingen.
De beide Marskarretjes verkennen hun omgeving in eerste instantie met de ‘ogen’ waarmee ze zijn uitgerust. Deze bestaan uit twee camera’s, op dertig centimeter van elkaar en anderhalve meter boven de grond, die van veertien verschillende filters kunnen worden voorzien. Deze filters maken het mogelijk om vanaf een afstand een ruwe spectraalanalyse te doen. Daarnaast kan de omgeving worden verkend met een kleine infraroodspectrometer, waarmee interessant lijkende gesteenten kunnen worden opgespoord. Deze laatste heeft als voordeel dat hij door het stoflaagje heen kan kijken waarmee veel stenen bedekt zullen zijn. Bovendien zal dit laatste instrument ook omhoog ‘kijken’, om een temperatuurprofiel van de Marsatmosfeer te maken.
Het meer gedetailleerde onderzoek gebeurt met afzonderlijke instrumenten die aan de robotarm van de Marsrover bevestigd zijn. Er is een microscopische camera om details tot een grootte van een fractie van een millimeter te bekijken. Verder zijn er een Mössbauer-spectrometer, waarmee ijzerhoudende mineralen kunnen worden opgespoord, en een alfadeeltjes/röntgenspectrometer, voor het bepalen van de chemische samenstelling van gesteenten en bodem. Deze drie instrumenten krijgen hulp van een soort slijpwiel, waarmee de stoffige en verweerde buitenkant van gesteenten kan worden afgeslepen. En ten slotte zijn er nog magneten van uiteenlopende sterkte die rondzwevende ijzerhoudende mineralen opvangen.
IJs en weder dienende zal de laatste Marsrover eind april zijn laatste bitje uitzenden. Voor die tijd zullen ongetwijfeld weer veel interessante feiten aan het licht zijn gekomen. Maar als Mars zijn raadselachtige reputatie volhoudt, zal geen van deze feiten eenduidig of doorslaggevend zijn. Er zullen best mineraalhoudende gesteenten worden opgespoord, maar je zult zien dat ook deze weer ruimte voor discussie laten. En zo lang de planeet slechts eens in de paar jaar met vrij primitieve instrumenten onderzocht wordt, zal aan deze discussies ook niet snel een einde komen.

(Zenit, februari 2004)

Het uitzicht vanaf de landingsplaats van de Amerikaanse Marsrover Spirit, die op 3 januari jl. behouden aankwam op de Rode Planeet. (Alle foto’s: NASA/JPL)

Artist’s impression van de Marsrover, die zijn omgeving verkend. Het karretje kan enkele tientallen meters per dag afleggen.

Dat er in geologisch recente tijden mogelijk nog water op Mars heeft gestroomd, wordt onder meer afgeleid uit de geulen die bovenaan de randen van (jonge) inslagkraters te zien zijn. Sommige geologen zijn evenwel van mening dat de structuren niet per se door uitstromend grondwater moeten zijn gevormd: zij denken meer aan de plotseling uitstroom van grote hoeveelheden kooldioxidegas. (Opname Mars Global Surveyor)

De gelaagde rotsstructuren in dit drie kilometer grote gebied op Mars, gefotografeerd door de Mars Global Surveyor, doen sterk denken aan sedimentgesteenten. De kleinere ribbels op de foto zijn waarschijnlijk ophopingen van zand dat door de wind is aangevoerd.

De landingsplaats van de eerste Marsrover ligt in de 150 km grote Gusev-krater. Duidelijk te zien is hoe de zuidelijke kraterwand opengespleten is op een plek waar mogelijk water naar binnen is gestroomd.