Mars Pathfinder Missionen

Sidste sommer fandt den første Mars rover in situ vidnesbyrd om, at den Røde Planet engang kan have været gæstfri mod livet

Matthew P. Golombek *

Indhold:

Indledning
Stifinding
Skueplads for oversvømmelse
Sedimentære klipper på Mars?
Iskold luft
Tabel: Vidnesbyrd om en varmere, mere våd Mars
Yderligere læsning

Indledning

Klipper, klipper, se de klipper," udbrød jeg til alle i Mars Pathfinder kontrolrummet omkring kl. 0430, den 4. juli, 1997. Pathfinder landeren sendte sine første billeder af Mars' overflade tilbage og alle fokuserede på TV skærmene. Vi var taget til Mars for at se på klipper, men ingen vidste med sikkerhed, om vi ville finde nogen, fordi landingsstedet var blevet udvalgt ved brug af billeder fra kredsløb med en opløsning på omkring en kilometer. Pathfinder kunne have landet på en flad, klippefri slette. Den første radioforbindelse viste, at landeren var næsten horisontal, hvilket var bekymrende for de af os, der var interesseret i klipper, da de fleste forventede, at en klippefyldt overflade ville resultere i en skråtstillet lander. De allerførste billeder var af landeren, så vi kunne fastslå dens tilstand og det var først nogle spændte minutter senere, at de første billeder af overfladen viste en klippefyldt slette - nøjagtig det, vi havde håbet på og planlagt for.
    Hvorfor ønskede vi klipper? Hver klippe bærer historien om dens dannelse fastlåst i dens mineraler, så vi håbede, at klipperne ville fortælle os om det tidlige marsiske miljø. Pathfinders todelte nyttelast, som bestod af en hovedlander med et multispektralt kamera og en mobil rover med en kemianalysator, var egnet til at se på klipper. Selv om den ikke kunne identificere mineralerne direkte - dens analysator kunne kun måle, hvilke kemiske grundstoffer de bestod af - var det vores plan at identificere dem indirekte baseret på sammensætningen af grundstoffer og klippernes form, konsistens og farver. Ved at landsætte Pathfinder ved udmundingen af en gigantisk kanal, hvor der engang kortvarigt strømmede en enorm mængde vand, søgte vi klipper, der var vasket ned fra de gamle, kraterfyldte højlande. Sådanne klipper kunne give oplysninger om Mars' tidlige klima og om forholdene engang var fremmende for livets udvikling.
    Det vigtigste krav for livet på Jorden (den eneste slags vi kender) er flydende vand. Under de nuværende forhold på Mars er flydende vand ustabilt: fordi temperaturen og trykket er så lave, er vand kun stabilt som is eller damp; flydende vand ville kun overleve i kort tid, før det frøs eller fordampede. Alligevel viser Viking billeder, taget for to årtier siden, dræningskanaler og vidnesbyrd om søer i højlandene. Disse kendetegn tyder på en varmere og mere våd fortid på Mars, i hvilken vand kunne bestå på overfladen [se "Global Climatic Change on Mars," af Jeffrey S. Kargel og Robert G. Strom; Scientific American, november 1996]. Det skal nævnes, at andre forklaringer også er blevet foreslået, som siveprocesser drevet af geotermisk opvarmning i et ellers koldt og tørt miljø. Et af Pathfinders videnskabelige mål var at se efter vidnesbyrd om en forhenværende varm, våd Mars.
    De mulige søbunde findes i terræn som, at dømme efter tætheden af nedslagskratere, er groft taget af samme alder som de ældste klipper på Jorden, der viser klare vidnesbyrd om liv for 3,9 milliarder til 3,6 milliarder år siden. Hvis livet kunne udvikles på Jorden på dette tidspunkt, hvorfor så ikke også på Mars, hvis forholdene var lignende? Det er det, der gør studiet af Mars så uimodståeligt. Ved at udforske vor naboplanet kan vi søge svar på nogle af de vigtigste spørgsmål i videnskaben: Er vi alene i universet? Vil livet opstå, hvor som helst flydende vand er stabilt eller kræver livets dannelse også noget andet? Og hvis livet udvikledes på Mars, hvad skete der så med det? Hvis livet ikke udvikledes, hvorfor så ikke?

Stifinding

Pathfinder var en Discovery-klasse mission - et af National Aeronautics and Space Administration's "hurtigere, billigere, bedre" rumfartøjer - som skulle demonstrere en metode med lave omkostninger til landsætning af en lille nyttelast og et mobilt fartøj på Mars. Den blev udviklet, opsendt og drevet på et fast budget, som kan sammenlignes med en stor spillefilm (mellem 200 og 300 millioner dollars), hvilket kun er en brøkdel af det budget, der typisk tildeles rummissioner. Pathfinder blev bygget og opsendt på kort tid (tre og et halvt år) og inkluderede tre videnskabelige instrumenter: Imager på Mars Pathfinder, Alpha Proton X-Ray Spectrometer og Atmospheric Structure Instrument/Meteorology Package. Selve roveren virkede også som et instrument; den blev brugt til at udføre 10 teknologiske eksperimenter, som studerede afslibningen af metalfilm på et roverhjul og vedhængningen af støv på en solcelle såvel som andre måder, hvorpå udstyret reagerede på sine omgivelser.
    Den sværeste del af Pathfinders mission var de fem minutter, hvor rumfartøjet overgik fra den interplanetare rejses relative sikkerhed til presset ved indgang i atmosfæren, nedturen og landingen. På den korte tid skulle mere end 50 kritiske begivenheder udløses på nøjagtig de korrekte tidspunkter, for at rumfartøjet kunne lande sikkert. Omkring 30 minutter før indgangen adskilte det rygsæklignende rejsetrin sig fra resten af landeren. I 130 kilometers højde over overfladen gik rumfartøjet ind i atmosfæren bag en beskyttende luftskærm. En faldskærm foldede sig ud 134 sekunder før landing og da afkastedes luftskærmen. Under nedstigningen blev landeren sænket ned under sit rygskjold i en 20 meter lang tøjle.
    Da Pathfinder nærmede sig overfladen udløste dens radarhøjdemåler affyringen af tre små raketter for yderligere at sænke dens hastighed. Enorme luftsække blev blæst op omkring hver af den tetraediske landers overflader, tølet blev kappet og landeren sprang ned på marsoverfladen med 50 kilometer i timen. Accelerometermålinger viser, at den luftsækindhyllede lander sprang mindst 15 gange uden at tabe trykket i luftsækkende. Efter omsider at være rullet til ro tømte landeren luftsækkende og åbnede sig for at begynde på overfladeaktiviteterne.
    Skønt demonstrationen af denne nye landingssekvens faktisk var Pathfinders primære mål opfyldte eller oversteg resten af missionen også forventningerne. Landeren holdt tre gange længere end de minimumskriterier den var konstrueret til, roveren holdt 12 gange længere. Missionen returnerede 2,3 milliarder bits af ny data fra Mars inkluderende mere end 16,500 lander og 550 rover billeder og omkring 8,5 millioner individuelle temperatur, tryk og vind målinger. Roveren rejste totalt 100 meter i 230 kommanderede bevægelser og udforskede derved mere end 200 kvadratmeter af overfladen. Den opnåede 16 målinger af klippers og marsbundens kemi, udførte mekaniske eksperimenter med marsbunden og fuldførte succesfuldt de talrige teknologieksperimenter. Missionen fangede også offentlighedens fantasi, var på avisforsiderne i en uge og blev historiens største internetbegivenhed med en total på 566 millioner hits i missionens første måned - 47 millioner alene den 8. juli.

Skueplads for oversvømmelse

Den mosaik af landskabet, der blev konstrueret af de første billeder, afslørede en slette fyldt med klippestykker (20 procent af sletten var dækket af klipper), som ser ud til at være blevet aflejret og formet af katastrofale oversvømmelser. Det var, hvad vi havde forudsagt baseret på fjernmålingsdata og landingsstedets position (19,13 grader nord, 33,22 grader vest), som var nedenfor udmundingen af Ares Vallis i det lave område kendt som Chryse Planitia. I billeder fra Viking Orbiter forekommer området at være analogt med Channeled Scabland i det østlige og centrale Washington State. Denne analogi antyder, at Ares Vallis dannedes, da en vandmængde af omtrent samme størrelse som de Great Lakes (hundreder af kubikkilometer) blev frigjort i en katastrofe og derved udgravede de observerede kanaler på nogle få uger. Tætheden af nedfaldskratere i området viser, at det dannedes på en mellemliggende tid i Mars' historie for mellem 1,8 milliarder og 3,5 milliarder år siden.
    Pathfinder billederne støtter denne tolkning. De viser halvt afrundede småsten, rullesten og kampesten som ligner dem, der aflejres af jordiske katastrofale oversvømmelser. Klipper i det, vi kaldte Rock Garden, en samling klipper sydvest for landeren, med navnene Shark, Half Dome og Moe, ligger på skrå og stablet, som om de blev aflejret af hurtigt strømmende vand. Store klipper i billederne (0,5 meter eller større) har en flad top og er ofte placeret på et højt utilgængeligt sted, hvilket også er konsistent med aflejring af en oversvømmelse. Twin Peaks, et par bakker i den sydvestlige horisont, er strømlinede. Viking billeder antyder, at landeren befinder sig på siden af en bred, jævn kam, som strækker sig mod nordøst fra Twin Peaks. Små kanaler i hele området ligner dem i Channeled Scabland, hvor dræning i oversvømmelsens sidste stade hovedsageligt fjernede finkornede materialer.
    Klipperne i området er mørkegrå og dækket af forskellige mængder gulligt-brunt støv. Dette støv forekommer at være det samme, som ses i atmosfæren; det er meget finkornet (en mikron i størrelse), hvilket antydes af optagelser med forskellige filtre og på forskellige positioner på himlen. Støvet samlede sig også i vindstriber bag klipperne.
    Nogle af klipperne er blevet furede og rillede, antageligt af partikler på størrelse med sand (mindre end en millimeter), som hoppede langs overfladen i vinden. Roverens kamera så også sandklitter i renden bag Rock Garden. Jord dækker de nederste få centimeter af nogle klipper, hvilket antyder, at de er blevet gravet op af vinden. Til trods for disse tegn på langsom erosion af vinden, ser klipperne og overfladen ud til kun at have forandret sig lidt, siden de blev aflejret af oversvømmelsen.

Sedimentære klipper på Mars?

Alpha Proton X-Ray spektrometeret på roveren målte sammensætningen af otte klipper. Siliciumindholdet af nogle af klipperne er meget højere end i Mars meteoritterne, vores eneste andre prøver af Mars. Mars meteoritterne er alle eruptive bjergarter, vulkanske klipper, som har et lavt indhold af silicium og et højt indhold af jern og magnesium. Sådanne klipper dannes når en planets øvre kappe smelter. Det smeltede materiale stiger op gennem skorpen og bliver fast ved eller nær overfladen. Disse typer klippe, som kaldes basalt, er de mest almindelige klipper på Jorden og er også fundet på Månen. Baseret på sammensætningen af Mars meteoritterne og tilstedeværelsen af sletter og bjerge, som ligner de karakteristiske træk, der frembringes af basaltvulkanisme på Jorden, forventede geologerne at finde basalt på Mars.
     Klipperne, der blev analyseret af Pathfinder, er imidlertid ikke basalt. Hvis de er vulkanske, som antydet af blærer på deres overflade, dannedes de antageligt, når indespærrede gasser under afkølingen efterlod små huller i klippen, deres siliciumindhold klassificerer dem som andesit. Andesit dannes, når den basalte smelte fra kappen trænger dybt ind i skorpen. Der danner sig krystaller, som er rige på jern og magnesium og som synker ned igen, efterladende en mere siliciumrig smelte, som bryder ud på overfladen. Andesit var en stor overraskelse, men fordi vi ikke ved hvorfra på den marsiske overflade disse klipper kom, kender vi ikke den fulde betydning af denne opdagelse. Hvis andesit er repræsentativ for højlandene, antyder den, at den gamle skorpe på Mars har en sammensætning som er lig Jordens kontinentale skorpe. Det ville være svært at forene denne lighed med de to planeters meget forskellige geologiske historier. Alternativt kunne klipperne repræsentere en lille del klipper med højt siliciumindhold fra en overvejende basalt slette.
    Interessant nok forekommer ikke alle klipperne at være vulkanske. Nogle har lag som dem i jordiske sedimentære klipper, der dannes ved aflejring af mindre dele af klipper i vand. Faktisk viser rover billederne mange afrundede småsten og rullesten på overfladen. Desuden har nogle større klipper, hvad der ligner indfældede småsten og skinnende indhak, hvor det ser ud som om afrundede småsten, der blev presset ind i klippen under dens dannelse, er faldet ud og har efterladt huller. Disse klipper kan være konglomerater, dannet af strømmende vand. Vandet ville have afrundet småstenene og aflejret dem i en blanding af sand, mudder og ler; blandingen blev derefter komprimeret og dannet til en klippe og ført til sin nuværende position af oversvømmelsen. Hvis disse marsiske klipper virkelig er konglomerater, antyder de stærkt, at flydende vand engang var stabilt og at klimaet derfor var varmere og mere vådt end i nutiden, fordi dannelsen af konglomerater kræver lang tid.
    Overfladematerialet på landingsstedet varierer fra det lyserøde støv til mørkere rødt og mørkegråt materiale. Generelt har overfladematerialerne et lavere siliciumindhold end klipperne og er rigere på svovl, jern og magnesium. Materialesammensætningerne er generelt de samme, som blev målt på Vikings positioner, der er på den modsatte halvkugle (Viking 1 er 800 kilometer vest for Pathfinder; Viking 2 er tusinder af kilometer væk på den modsatte, østlige side af den nordlige halvkugle). Således kan dette materiale være en globalt aflejret enhed. Ligheden i sammensætningen af overfladematerialerne medfører, at forskellene i deres farver kan være resultatet af små variationer i jernets mineralogi eller partikelstørrelse og form.
    Et lyserødt eller rosa materiale dækkede også dele af landingsstedet. Det har samme sammensætning som de andre overfladematerialer, men synes at være hærdet eller sammenkittet, for det blev ikke skadet ved skrabning af roverhjulene.
    Pathfinder undersøgte også støvet i Mars' atmosfære ved at observere dets aflejring på en serie magneter på rumfartøjet. Det viste sig, at støvet er yderst magnetisk. Det kan bestå af små silikat (måske ler) partikler, med en forurening eller cement af et yderst magnetisk materiale kendt som maghemit. Dette resultat er også konsistent med en vandrig fortid. Jernet kan være blevet opløst i vand fra skorpens materialer og maghemit kan være en frysetørret udfældning.
    Himlen på Mars havde samme karamelfarve, som den havde, da Vikinglanderne tog billeder af den. Finkornet støv i atmosfæren ville forklare denne farve. Billeder fra Hubble Space Telescope havde antydet en meget klar atmosfære; forskerne mente endda, at den kunne forekomme blå set fra overfladen. Men Pathfinder fandt noget andet, hvilket antyder, at atmosfæren altid har noget støv i sig fra lokale støvstorme eller at atmosfærens gennemsigtighed varierer mærkbart i løbet af kort tid. Den udledte størrelse af støvpartiklerne (omkring en mikron), deres form og mængden af vanddamp i atmosfæren (svarende til en ynkelig hundrededel af en millimeter regn) er også konsistent med målinger udført af Viking. Selv hvis Mars engang var saftig, er den nu mere tør og støvet end nogen ørken på Jorden.

Iskold luft

De meteorologiske sensorer gav yderligere information om atmosfæren. De fandt mønstre af daglige og mere langvarige fluktuationer i trykket og temperaturen. Temperaturen nåede sit maksimum på 263 kelvin (- 10 grader Celsius) hver dag kl. 14.00 lokal soltid og sit minimum på 197 kelvin (-76 grader C) lige før solnedgang. Tryk minimum på lige under 6,7 millibar (omkring 0,67 procent af trykket ved havoverfladen på Jorden) blev nået på sol 20, den 20. marsdag efter landing. På Mars varierer lufttrykket med årstiderne. Om vinteren er det så koldt, at 20 til 30 procent af hele atmosfæren fryser ved polen og danner en enorm dynge af fast kultveilte. Det trykminimum, som Pathfinder så, viser, at atmosfæren var på sit tyndeste og sydpolens polarkappe på sit største på sol 20.
    Morgentemperaturerne fluktuerede brat med tiden og højden; sensorerne, der var anbragt 0,25, 0,5 og en meter over rumfartøjet tog forskellige aflæsninger. Hvis man stod på Mars, ville ens næse være mindst 20 grader C koldere end ens fødder. Det antyder, at kold morgenluft opvarmes af overfladen og stiger op i små hvirvler, hvilket er meget anderledes end det, der sker på Jorden, hvor sådanne store temperaturuligheder ikke forekommer. Eftermiddagstemperaturerne, efter luften er opvarmet, viser ikke disse variationer.
    I den tidlige eftermiddag fejede støvdjævle gentagne gange hen over landeren. De viste sig som skarpe, kortlivede trykændringer og var sandsynligvis lig hændelser detekteret af Viking landere og kredsende fartøjer; de kan være en vigtig mekanisme til at hæve støv i Mars atmosfæren. Ellers var de fremherskende vinde lette (målt til mindre end 36 kilometer i timen) og variable.
    Pathfinder målte atmosfæriske forhold i større højder under sin nedstigning. Den øvre atmosfære (i højder over 60 kilometer) var koldere end Viking havde målt. Dette resultat kan helt enkelt skyldes variationer med årstiden og tidspunktet for nedstigningen: Pathfinder kom ind kl. 0300 lokal soltid, hvorimod Viking ankom kl. 1600, hvor atmosfæren naturligvis er varmere. Den lavere atmosfære var lig den, der blev målt af Viking og dens forhold kan tilskrives støv, der er blandet ensartet med relativ varm luft.
    Som en bonus kunne forskerne bruge radiokommunikationssignaler fra Pathfinder til at måle Mars' rotation. Daglig Doppler sporing og mindre hyppig tovejs afstandsmåling under kommunikationssessioner bestemte landerens position med en præcision på 100 meter. Den sidste sådanne positionsmåling blev udført af Viking for mere end 20 år siden. I mellemtiden har rotationspolen præcesseret - dvs., at retningen af planetens hældning har ændret sig, på samme måde som en spinnende top langsomt slingrer. Forskellen mellem de to positionsmålinger giver præcessionshastigheden. Hastigheden styres af planetens inertimoment, en funktion af massefordelingen inde i planeten. Inertimomentet havde været det ene vigtigste tal om Mars, som vi endnu ikke kendte.
    Fra Pathfinders bestemmelse af inertimomentet ved vi nu, at Mars må have en central metalkerne, som er mellem 1.300 og 2.400 kilometer i radius. Med antagelser om kappens sammensætning, udledt fra sammensætningen af marsmeteoritterne og klipperne, som blev målt af roveren, kan forskerne nu begynde at opsætte grænser for de indre temperaturer. Før Pathfinder talte sammensætningen af marsmeteoritterne for en kerne, men denne kernes størrelse var fuldstændig ukendt. Den nye information om dens indre vil hjælpe geofysikerne med at forstå, hvordan Mars har udviklet sig i tidens løb. Ud over den langvarige præcession detekterede Pathfinder en årlig variation i planetens rotationshastighed, hvilket er lige hvad man ville forvente ud fra den årstidsbetingede udveksling af kultveilte mellem atmosfæren og iskapperne.
    Hvis man lægger alle resultaterne sammen, antyder de, at Mars engang var mere lig Jorden, end man tidligere vurderede. Nogle materialer i skorpen minder i deres siliciumindhold om kontinental skorpe på Jorden. Desuden taler de afrundede småsten og det mulige konglomerat, såvel som den rigelige mængde partikler af sand- og støvstørrelse for en tidligere vandrig planet. Det tidligere miljø kan have været varmere og mere vådt, måske lig det, der var på den tidlige Jord. I modsætning hertil har Mars, siden oversvømmelserne dannede landingsstedet for 1,8 til 3,5 milliarder år siden, været et sted, som er meget ulig Jorden. Stedet forekommer næsten uændret siden det blev aflejret, hvilket viser meget lave erosionshastigheder og således intet vand i relativt nylige tider.
    Skønt vi ikke er sikre på, at den tidlige Mars var mere lig Jorden, tyder de tilbagesendte data fra Pathfinder meget på det. Information fra Mars Global Surveyor, som nu kredser om den Røde Planet, burde hjælpe os med at besvare dette afgørende spørgsmål om vor naboverden.

Yderligere læsning

Mars Edited by Hugh H. Kieffer, Bruce M. Jakosky, Conway W. Snyder and Mildred S. Matthews. University of Arizona Press, 1992.

Water on Mars. Michael H. Carr. Oxford University Press, 1996.

Mars Pathfinder Mission and Ares Vallis Landing Site Matthew P. Golombek et al. in Journal of Geophysical Research, Vol. 102, No. E2, pages 3951-4229; February 25, 1997.

Mars Pathfinder. Matthew P. Golombek et al. in Science, Vol. 278, pages 1734-1774; December 5, 1997.

* Matthew P. Golombek er projektforsker for Mars Pathfinder, med ansvar for missionens overordnede videnskabelige indhold. Han leder sit arbejde på Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Calif. Han er formand for Pathfinder Project Science Group, deputeret ved Experiment Operations Team og medlem af projektledelsesgruppen. Han har skrevet talrige papirer om rumfartøjet og dets resultater og organiseret pressekonferencer og videnskabelige møder. Golombeks forskning fokuserer på Jordens og de andre planeters strukturelle geologi og tektonik, især Mars'. Han blev interesseret i geologi, fordi han gerne ville vide, hvorfor Jorden havde bjerge og dale.

Fra The Mars Pathfinder Mission, Scientific American, Juli 1998, pp.24-33.

13. august, 2000.

Indhold
Allan Hills 84001
Mars: Den rustne planet
Index