Volgens nieuwe onderzoeksresultaten, die op 5 maart 2015 online in het tijdschrift Science worden gepubliceerd, was er ooit een primitieve oceaan op Mars die meer water bevatte dan de Noordelijke IJszee, en een groter deel van het planeetoppervlak besloeg dan de Atlantische Oceaan op aarde.
Dat blijkt uit metingen met ESO’s Very Large Telescope, en instrumenten van de W.M. Keck-sterrenwacht en NASA’s Infrared Telescope Facility, die verspreid over een periode van zes jaar door een internationaal team van wetenschappers zijn verricht. Bij het onderzoek is de atmosfeer van Mars doorgelicht en zijn de eigenschappen van het water in verschillende delen van de planeetatmosfeer in kaart gebracht. De nieuwe kaarten zijn de eerste in hun soort. Ongeveer vier miljard jaar geleden zou de jonge planeet nat genoeg zijn geweest om zijn volledige oppervlak met een 140 meter dikke laag water te bedekken. Maar het is waarschijnlijker dat het water zich in de laagst gelegen gebieden verzamelde, en een oceaan vormde die bijna het halve noordelijke halfrond van Mars bestreek. Plaatselijk kan het water meer dan 1,6 kilometer diep zijn geweest. ‘Ons onderzoek geeft een betrouwbare schatting van hoeveel water Mars ooit had, door te bepalen hoeveel water naar de ruimte is ontsnapt,’ zegt Geronimo Villanueva, een wetenschapper van NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland (VS), en hoofdauteur van het nieuwe artikel. ‘Met dit onderzoek kunnen we de geschiedenis van Mars beter begrijpen.’
De nieuwe schatting is gebaseerd op gedetailleerde waarnemingen van twee enigszins verschillende vormen van water in de Marsatmosfeer. De eerste is de bekende vorm, die uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom bestaat: H2O. De tweede is HDO oftewel halfzwaar water, een natuurlijke variant waarin een van de waterstofatomen is vervangen door de zwaardere soortgenoot deuterium. Omdat halfzwaar water zwaarder is dan normaal water, ontsnapt het na verdamping minder gemakkelijk de ruimte in. Dus hoe meer water een planeet verliest, des te groter wordt de HDO/H2O-verhouding van het resterende water [1].
De onderzoekers hebben de chemische signaturen van de twee soorten water onderscheiden met ESO’s Very Large Telescope in Chili, en met instrumenten van de W. M. Keck Observatory en NASA’s Infrared Telescope Facility op Hawaï [2]. Door de HDO/H2O-verhouding te meten, kunnen wetenschappers vaststellen hoe sterk het HDO-aandeel is toegenomen. Daaruit kan dan weer worden afgeleid hoeveel water de ruimte in is verdwenen, en hoeveel water er in vroeger tijden op Mars is geweest. Bij hun onderzoek hebben de wetenschappers de verdeling van H2O en HDO in de loop van zes aardse jaren – ongeveer drie Marsjaren – herhaaldelijk gemeten. Dat heeft kaarten opgeleverd van hun afzonderlijke verdeling en van hun onderlinge verhouding. De kaarten vertonen seizoensveranderingen en microklimaten, hoewel de huidige planeet Mars in feite een woestijn is.
Ulli Käufl van ESO, die verantwoordelijk was voor de bouw van een van de instrumenten die bij dit onderzoek zijn gebruikt en mede-auteur is van het nieuwe artikel, voegt toe: ‘Ik sta er steeds weer versteld van hoeveel je over een planeet te weten kunt komen door deze van grote afstand met een telescoop te bekijken: we hebben een oude oceaan ontdekt op meer dan 100 miljoen kilometer hiervandaan!’ Het onderzoeksteam was vooral geïnteresseerd in gebieden nabij de noord- en zuidpool, omdat de poolkappen voor zover bekend het grootste waterreservoir op de planeet vormen. Vermoed wordt dat in het daarin opgeslagen water de evolutie van het water op Mars is opgetekend, van het natte Noachiaanse tijdperk, dat ongeveer 3,7 miljard jaar geleden afliep, tot nu.
De nieuwe resultaten laten zien dat het atmosferische water nabij de polen met een factor zeven is verrijkt ten opzichte van het aardse oceaanwater. Dat betekent dat het water in de eeuwige ijskappen van Mars acht keer is verrijkt. Mars moet dus een hoeveelheid water zijn kwijtgeraakt die 6,5 keer zo groot was als de hoeveelheid die in de huidige poolkappen is opgeslagen. En daaruit volgt dat de oceaan op de jonge planeet zeker 20 miljoen kubieke kilometer water moet hebben bevat. Gezien de huidige topografie van Mars, zal het meeste water zich op de noordelijke vlakten hebben verzameld – een gebied dat al geruime tijd als een goede kandidaat wordt gezien, omdat het zo laag ligt. Als de vroegere oceaan zich inderdaad in dat gebied heeft bevonden, zal deze 19% van het planeetoppervlak hebben bedekt. Ter vergelijking: de Atlantische Oceaan neemt 17% van het aardoppervlak in beslag.
‘Als Mars zo veel water is kwijtgeraakt, is de planeet hoogstwaarschijnlijk veel langer nat geweest dan tot nu toe werd gedacht. En dat zou betekenen dat de planeet ook langer leefbaar was,’ zegt Michael Mumma, senior-wetenschapper bij Goddard en tweede auteur van het onderzoeksartikel. Het is mogelijk dat Mars ooit nóg meer water heeft gehad, waarvan een deel onder het oppervlak kan zijn opgeslagen. Omdat de nieuwe kaarten niet alleen microklimaten en veranderingen in het atmosferische watergehalte tonen, kunnen ze ook van nut zijn bij de voortdurende zoektocht naar dat ondergrondse water.
Noten
[1] De oceanen op aarde bevatten ongeveer 3200 H2O-moleculen per molecuul HDO.
[2] Hoewel de sondes die op het Marsoppervlak staan en om de planeet cirkelen veel gedetailleerde lokale metingen kunnen doen, zijn deze niet geschikt om de globale eigenschappen van de Marsatmosfeer in de gaten te houden. Dat gaat beter met de infraroodspectrografen van grote telescopen op aarde.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘Strong water isotopic anomalies in the Martian atmosphere: probing current and ancient reservoirs’ van G. VIllanueva et al., dat op 5 maart 2015 online in Science verschijnt.
Het onderzoeksteam bestaat uit G.L. Villanueva (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, VS; Catholic University of America, Washington, D.C., VS), M.J. Mumma (NASA Goddard Space Flight Center), R.E. Novak (Iona College, New York, VS), H.U. Käufl (ESO, Garching, Duitsland), P. Hartogh (Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Göttingen, Duitsland), T. Encrenaz (Observatoire de Paris-Meudon, Paris, Frankrijk), A. Tokunaga (University of Hawaii-Manoa, Hawaii, VS), A. Khayat (University of Hawaii-Manoa) en M.D. Smith (NASA Goddard Space Flight Center).
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door zestien lidstaten: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die specifiek is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, dicht bij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden. Vier programma’s van het NASA-hoofdkwartier in Washington, D.C., hebben dit onderzoek gesteund: Mars Fundamental Research, Planetary Astronomy, Planetary Atmospheres en NASA Astrobiology.
