Kuru bir göktaşı bize Mars’taki su hakkında neler söylüyor?

Bugün suyun kalmadığı yeri tespit etmek: Nötron ve X-ışını tomografisi bunu mümkün kılıyor. Paul Scherrer Enstitüsü PSI’nın katılımıyla yürütülen uluslararası bir çalışmada araştırmacılar, Mars’taki bir göktaşı içindeki makroskobik hidrojen açısından zengin bölgeleri gün ışığına çıkardı. Bulgular, Mars’taki erken su-kaya etkileşimlerine dair kanıtlar sağlıyor.

Kızıl Gezegen her zaman bugün gördüğümüz tozlu çöl değildi. Mars bir zamanlar su tutuyordu: Yörünge araçları ve gezici ölçümlerden elde edilen veriler, yüzeyinde sıvı suyun bile aktığını ve bugün esas olarak kayadaki minerallere kilitlenmiş kimyasal olarak bağlı hidrojen olarak varlığını sürdürdüğünü gösteriyor.

Ancak hidrojen taşıyan bu minerallerin kaç yaşında oldukları, nerede oluştukları ve hangi konsantrasyonlarda olduklarına dair anlayışımız hala eksik. Ancak bu tür ayrıntılar, Mars’ın erken dönem ortamını ve o dönemde ne ölçüde yaşanabilir olabileceğini daha iyi anlamak için hayati önem taşıyor.

Disiplinlerarası bir işbirliğiyle Danimarka, İsveç ve İsviçre’den bir araştırma ekibi Mars’taki suyu araştırıyor; Mars’ın kendisinde değil, milyonlarca yıl önce Dünya’ya fırlatılan bir Mars kayası parçasında: NWA 7034; daha çok bilinen adıyla NWA 7034 “Siyah Güzellik.” Bu Mars göktaşı sıvı su içermese de, su kayayla reaksiyona girdiğinde arkasında değiştirilmiş demir bileşikleri veya hidratlı mineraller gibi kimyasal izler bırakır. Araştırmacıların numunenin içinde ortaya çıkarmak istediği tam da bu izlerdi.

Bunu başarmak için ekip iki tamamlayıcı görüntüleme tekniğini birleştirdi: nötron ve X-ışını tomografisi. Nötron ölçümleri PSI’daki İsviçre Spallation Nötron Kaynağı SINQ’da gerçekleştirildi. “Nötronlar özellikle hidrojene karşı hassastır.” Anders Kaestner ile birlikte PSI’da nötron tomografisini gerçekleştiren PSI bilim adamı David Mannes şöyle açıklıyor: “X-ışını tomografisi ile birlikte yalnızca çok küçük hidratlı mineralleri tespit etmekle kalmadık, aynı zamanda ilk kez daha büyük, makroskobik hidrojen birikintilerini de görselleştirdik.”

Hidrojen açısından zengin izler çok eski Mars kayalarında bulunur ve açıkça tanımlanabilir makroskobik alanlarda meydana gelir. Bu, suyun henüz genç olan Mars kabuğuyla erken bir aşamada reaksiyona girdiğini gösteriyor. Araştırmacılar bulgularını dergide bildirdiler Jeofizik Araştırma Mektupları.

‘Siyah Güzel’in içine nötronlarla bakmak

“siyah güzellik”Kızıl Gezegen’in bir parçası, bir zamanlar Mars’a düşen bir göktaşının etkisiyle uzaya fırlatılmış ve uzun bir yolculuğun ardından nihayet Fas Sahra’sına inmişti. Yaklaşık 320 gram (11 ons) ağırlığındaki kaya parçası, 4,48 milyar yıllık malzeme içeriyor ve bu da onu Mars kabuğunun bilinen en eski parçalarından biri yapıyor.

Bu imrenilen kaya parçası daha önceki çalışmalarda zaten kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Su içeriğine ilişkin ilk tahmin, göktaşının kontrollü koşullar altında ısıtılması ve açığa çıkan suyun analiz edilmesiyle elde edildi. Daha sonraki çalışmalarda araştırmacılar, mineralojiyi araştırmak için mikroskop altında mikrometrelik ince kesitleri incelediler. “siyah güzellik” ayrıntılı olarak. Bu çalışmaların tümü benzer bir sonuca ulaştı: “siyah güzellik” suyla dolu ya da en azından onun izleriyle dolu.

Ancak bu tür çalışmaların sınırlamalarından biri, bunların ya toplu su içeriği hakkında yalnızca niceliksel bilgi sağlaması ya da kayanın küçük, yerel bölümleriyle sınırlı olmasıdır. Hidratlı minerallerin bir bütün olarak göktaşı boyunca nasıl dağıldığını ortaya çıkarmazlar.

Bu, yeni çalışmanın başlangıç ​​noktasıydı: Uluslararası ekip ilk kez nötron ve X-ışını tomografisini birleştirerek göktaşının bitişik bir bölümünü tahribatsız olarak üç boyutlu olarak inceledi. “Siyah Güzel’in 12 x 8 x 2 milimetre ölçülerindeki bir bölümü Kopenhag’dan İsviçre’ye paket servisiyle gönderildi,” Kaestner bunu gülümseyerek hatırlıyor. “Buraya geldiğinde numuneyi ışın hattımıza yerleştirdik ve nötronları kullanarak iç yapısını yeniden oluşturduk.”

İki yöntem; tek bir tam resim

Çoğumuz hastanelerde çekilen röntgen filmlerine aşinayız: Esasen gölge gibi çalışıyorlar. Radyasyon bir nesnenin içinden geçer, malzemeye bağlı olarak zayıflar veya dağılır, diğer taraftan ortaya çıkar ve algılanır; böylece iç yapının iki boyutlu bir görüntüsü oluşturulur. Tomografi bunu bir adım daha ileriye taşıyor: Nesneyi ışında 360 derece döndürerek, iç yapısı, numuneye zarar vermeden üç boyutlu olarak tamamen yeniden oluşturulabiliyor.

X ışınları özellikle silikon veya demir gibi daha ağır elementlerin dağılımını ortaya çıkarmak için çok uygundur. Hidrojen gibi hafif elementler ise yoğun kayalarda çok az kontrast sağlar. “Göktaşının X-ışını tomogramına baktığımızda, normalde yoğun olan kayada çok sayıda büyük ‘delik’ görebiliyorduk.” Kaestner diyor. “Ancak nötron tomografisini kullanarak nihayet bu deliklerin boş olmadığını, hidrojen içeren malzeme içerdiklerini gösterebildik.”

Mars kabuğundan zaman kapsülü

Bu hidrojen izlerini anlamak için öncelikle bunların jeolojik bir bağlama yerleştirilmesi gerekiyor: Siyah Güzellik basit, homojen bir kaya parçası değil, çok eski kabuk parçalarından oluşan renkli bir yama işi. “Jeolojide buna breş diyoruz.” Çalışmaya ortak yazar ve Mars uzmanı olarak katılan Kopenhag Üniversitesi’nden Mars jeologu Katrine Wulff Nikolajsen şöyle açıklıyor: “Farklı jeolojik dönemlere ait molozların kaya betonu gibi bir araya gelerek oluşturduğu bir yapıdır bu.”

Siyah Güzel’in karmaşık bileşimi, Kızıl Gezegen üzerindeki çok sayıda güçlü etki olayının sonucudur. “Bunun gibi olaylar sisteme muazzam miktarda enerji enjekte eder,” Wulff diyor. “Farklı katmanlardan gelen kayalar çalkalanıyor, parçalanıyor, kısmen eritiliyor ve yeniden karıştırılıyor.” Daha sonraki bir çarpışma, breşlere, Mars’ın çekim alanını yenmeye ve onu Dünya’ya doğru yolculuğuna çıkarmaya yetecek kadar enerji kazandırdı.

Dolayısıyla Fas Sahra’sına Kara Güzellik olarak düşen şey, Mars kabuğunun farklı dönemlerine ait materyaller içeren bir tür jeolojik zaman kapsülüdür; bunlara Kızıl Gezegenden bildiğimiz en eski kaya örnekleri de dahildir. “İki analiz yöntemimizi kullanarak, hidratlı izlerin numune boyunca homojen bir şekilde dağılmadığını, konsantre, makroskobik sıcak noktalar halinde oluştuğunu bulduk.” jeolog diyor. “Bu sıcak noktalar çoğunlukla antik kaya parçalarında meydana geliyor; incelenen numunenin toplam su içeriğinin yaklaşık %11’ini oluşturuyorlar.”

Bu, gezegenin tarihinin çok erken dönemlerinde suyun Mars’ta mevcut olması gerektiğini gösteriyor. Volkanik aktivite veya çarpma olayları gibi yüksek enerjili jeolojik süreçler yoluyla bu su, kayayla reaksiyona girmiş ve hidratlı mineraller halinde korunmuş olabilir. “Bu tür süreçleri Dünya’da da gözlemliyoruz.” Wulff diyor.

Bu nedenle çalışma, yalnızca Mars’ın erken tarihine dair yeni bilgiler sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda metodolojik bir atılımı da temsil ediyor: İlk kez, Mars kayalarındaki hidrojenin üç boyutlu ve tahribatsız bir şekilde haritası çıkarıldı. İncelenen bölüm yalnızca 12 x 8 x 2 milimetre boyutunda olmasına rağmen, aynı yöntem daha büyük örneklere de uygulanabilir ve gelecekte Mars’a veya diğer gök cisimlerine gönderilen kaya örneklerinin Dünya’ya geri getirilmesinde önemli bir rol oynayabilir.

“Hazır olurduk,” Mannes diyor. “PSI’da, İsviçre Spallation Nötron Kaynağı SINQ’daki nötron tomografisinden, İsviçre Işık Kaynağı SLS’deki yüksek çözünürlüklü X-ışını tomografisine kadar tüm altyapı hizmetimizdedir.”