AstrobiologieDocent: Léon Koopmans Kapteyn Instituut (RuG) koopmans @ astro.rug.nl

College 5: Is er Leven op Mars?

Overzicht College Inhoud1 Overzicht + Wat is Astrobiologie? Inleiding, wetenschappelijke aanpak & context.2 Sterrenkundige Achtergrond (Aantekeningen + Slides) Achtergrond/Overzicht van Kosmologie tot Planeten3-4 Leven & Leefbare Werelden (Hfstk 1-2) De basis van leven op Aarde. Voorwaarden, oorsprong, diversiteit, evolutie, ... Extremofielen5-6 Zoeken naar Leven in het Zonnestelsel (Hfstk 3-5) Zoektocht/missies, Mars, Venus, Europa, Titan, ...7-9 Exo-Planeten (Hfstk 6-8) Planeetvorming, zoekstochten, leven, ...10 Buitenaardse Intelligenties (Hfstk 9) Drake eqn, SETI, CETI, Fermi-paradox, ...

Boek: “An introduction to Astrobiology” Iain Gilmour & Mark. A. Sephton

Mars: de Planeet

Vergelijking: Mars - Aarde

• Grootte• Massa• Zwaartekr.• Zonkracht• “Jaar” lengte• Atmosfeer• Temperatuur• Oppervlak• Kern/Mantel• Magneetveld• etc...

Veel verschillen

Aantal manen 2Diameter 6796 (±8) km (equator) 6752 km (polair)Afplatting 1 / 154,4Massa 6,419×1023kgRotatietijd (dag) 24,6 uurOmlooptijd zon (jaar) 686,98 dagenAfstand tot de zon 227,94×106 kmAtmosfeer Zeer dun, vooral CO2Temperatuur (gem) 210 K (-63°C)Kleur OkerKern IJzer/Nikkel

http://nl.wikipedia.org/wiki/Mars_(planeet)

Algemene Eigenschappen

De interne structuur van MarsKorst: ~50km - silicaten van ijzer en magnesium (Basalt)

Mantel: ~1500-1800 km – idem met iets meer ijzer

Kern: Ijzer, zwavel, nikkel

Kern genereert geen globaal actief magneetveld

Magma komt direct uit kern op Mars via een “plume” -> bv Olympus Mons. Voor de rest is de mantel koud (geen plaat tektoniek meer)

Wel lokale magneetvelden:Plaat-tektoniek 4 miljard jaar geleden

Magnetische Banden

Aarde

Vulkanische Activiteit

Olympus Mons: Grootste vulkaan in het zonnestelsel

Actief tot ~2 miljoenjaar geleden!

(Mars Express Data)

Vulkanische Activiteit

Activiteit kraters op Mars:

Relatie tussen aantal kraters als functie van grootte geeft een leeftijds-schatting. (overlappinggeeft relatieve tijdschaal)

Laatste 100 – 1000 miljoen jaar vulkanische activiteitin deze kraters.

GeografischOud Oppervlak

Momenteel weinig tektonische/vulkanische activiteit

Het Oppervlak van Mars• Grotendeels Basalt rotsen door vulkanische & tektonische activeiten• Bedekt met fijn ijzer-oxide stof -> Stofstormen

LandingsplaatsenMars Missies

Poolkappen op Mars

Waterijs + een dunne laag (1-10m) bevroren CO2

De Atmosfeer van Mars

Samenstelling

95.3% Kooldioxide 2.7% Stikstof,1.6% Argon, 0.15% Zuurstof0.03% Waterdamp

6 mbar druk (<1% Aarde)

(water-)wolken gaan voorbij (NASA Rover)

Leven op Mars?

De zoektocht naar leven op MarsGiovanni Schiaparelli (1835-1910) nam ‘canali’ waar

Tot in de jaren 60 dachten sommige astronomen dat seizoens veranderingen (bv kleur) op Mars het gevolg zouden kunnen

zijn van vegetatie op het oppervlak.

Lowell

De zoektocht naar leven op Mars

Leven op Mars: Moderne Standpunt

• Er is nog geen consensus• Het is mogelijk dat er ooit

leven was op Mars • En zelfs dat het er nu nog is, maar in hybernatie

Rode kleur komt van ijzeroxide

De zoektocht naar vloeibaar water is nauw verbonden met

dat naar leven op Mars.

Het Klimaat op Mars: Toen & Nu• De leefbare zone: Mars is 1.52 AU van de zon. De buiten grens van de LZ is model afhankelijk: tussen 1.37 AU (CO2 begint te consenseren) en 1.67 AU (maximaal broeikas effect)

• Mars is klein: slechts 10% van de aardmassa en 40% van het oppervlak: Minder makkelijk een atmosfeer vast te houden

• De oppervlakte druk: slechts 5.6 mbar, niet genoeg voor een broeikas effect. Gemiddelde temperatuur is 215K (<< 0 Celsius)

• De Mars atmosfeer: Gedomineerd door CO2 (95.3%), N2 (2.7%), Ar (1.6%) en een beetje H20 (0.03%)

Volledige bloodstelling aan UV Straling

• De hele atmosfeer van Mars tot aan het oppervlak staat continue blood aan UV straling

• CO2 wordt gefotodissocieerd en geregenereerd door gefotodissocieerd water

CO2 + foton CO + O H2O + foton OH + O H+O2+M HO2+M O+HO2 O2+OH CO+OH CO2+H Leven op het oppervlak

van Mars is niet waarschijnlijk

4

Oppervlakte temperatuur laat grote variaties zien in tijd en plaats

• Eccentrieke baan (e=0.093), 10% fluctuaties• Inclinatie equator-baan = 25.2o

• Grote variaties met breedtegraad vanwege lage thermische inertia (lage atmospherische druk)

• Grote dag-nacht variaties vanwege gebrek aan significant broeikas effect van atmosfeer

• Stof stormen die zonlicht blokkeren en warmte vasthouden ('s nachts)

Stof StormenIjzeroxide stof

Zandstorm

Oppervlakte temperatuur laat grote variaties zien in tijd en plaats

Metingen: Viking-landers

Pool kappen

• Groeit & krimpt met seizoenen• Permanent deel op de polen is vooral water-ijs• Bedeking van 1-m CO2 ijs op de noordpool (verdwijnt volledig in de

zomer, en 8m dik op de zuidpool (gedeeltelijk permanent)

CO

2: ijs <---> gas fase

Omzetting CO2 ijs tot gas -> verhoging druk

Atmosferische drukDagelijkse variaties

Atmosferische drukSeizoens variaties

“Mars Orbiter Laser Altimeter”

Hoeveel water is er op de noordpool?Gemiddeld 1 km dik -> 1.2 million kubieke km

The tripel punt van waterOnder huidige condities (5.6 mbar) kan water niet in

vloeibare toestand bestaan: vast <--> gas

Druk moet hoger zijn voor vloeibaar water

Mars

Lange termijn variaties in het klimaat op Mars

Sterke geologische aanwijzingen dat er perioden met veelvloeibaar water zijn geweest op het oppervlak van Mars.

• Jupiter's aantrekkings kracht beinvloedt de baan en orientatie van Mars, op tijdschalen van 100,000 tot 10 miljoen jaar• De obliquiteit van Mars varieert tussen 0 en 35o en meer.• De eccentriciteit van Mars varieert tussen 0 and 0.12

• Hoe groter de obliquiteit, hoe groter de seizoens variaties, en hoe hoger de gemiddelde verwarming van de polen door de zon. • CO

2 ijs wordt herverdeeld over de planeet.

• Atmosferische druk + stof stormen kunnen enorm toenemen.

Gelaagde afzettingen van stof en ijs op de noordpool – bewijs voor quasi-periodieke klimaat variaties

Gerelateerd: Milankovitch cyclus op Aarde• Variaties in de baan parameters van de Aarde zijn kleiner

omdat de afstand tot Jupiter groter is en de maan stabiliseert. • Wetenschappers denken dat deze Milankovitch cycli ijstijden

op aarde kunnen veroorzaken

Gecompliceerde interactie veroorzaakt doordat het meeste land in de N-halfrond is: kleine baan variaties geven grote klimaat veranderingen

Hogere luchtdruk & warmere temperaturen: Vloeibaar water

Nu

VroegerZag mars er vroeger zo uit?

Het huidige klimaat is te extreem voor voortplanting van zelfs de meeste extreme extremofielen op Aarde.

Ze kunnen evt. overleven, wachtend opbetere omstandigheden.

[Beter ondergronds te blijven vanwegede sterke UV straling]

Conclusie:

MISSIES NAAR MARS -- 36 WAARVAN 13 SUCCESVOL

1960 Korabl 4 USSR (flyby), Korabl 5USSR (flyby) Failure 1962 Korabl 11 USSR (flyby) Mars 1USSR (flyby) Failure Korabl 13USSR (flyby) Failure 1964 Mariner 3 US (flyby) Mariner 4US (flyby) Success Zond 2 USSR (flyby) Failure, 1969 Mars 1969 A USSR Failure, Mars 1969B USSR failure, Mariner 6 US (flyby) Success, Mariner 7 US (flyby) Success, 1971 Mariner 8 US Failure, Kosmos 419 USSR Failure, Mars 2 Orbiter/Lander USSR Failure, Mars 3 Orbiter/Lander USSR Success, Mariner 9

US Success 1973 Mars 4 USSR, Failure Mars 5 USSR Success, Mars 6 Orbiter/Lander USSR Success/Failure Mars 7 Lander USSR, 1975, Viking 1 Orbiter/

Lander US Success Viking 2 Orbiter/Lander US Success 1988 Phobos 1 Orbiter USSR Failure, Phobos 2 Orbiter/Lander USSR 1992 Mars Observer US Failure 1996

Mars Global Surveyor US Success Mars 96 USSR Failure, Mars Pathfinder US Success 1998 Nozomi Japan Failure, Mars Climate Orbiter US Failure 1999 Mars

Polar Lander US Failure 1999 Deep Space 2 Probes (2) US Failure 2001 Mars Odyssey US Success 2003 Mars Express Orbiter/Beagle 2 Lander ESA

Success/Failure Orbiter Mars Exploration Rover - Spirit US Success Mars Exploration Rover - Opportunity US Success 2005 Mars Reconnaissance Orbiter US

TBD

De Viking Mars Missies

Twee identieke orbiters/landers (1975-1976)

Eerste buitenaarde experimenten om leven te

vinden

Viking Experimenten• Bedoeld voor het detecteren van metabolische activiteit

van potentiele microben in de grond van Mars• Aannamen: Leven is gebaseerd op koolstof, vergelijkbaar

met dat op Aarde en metaboliseert simpele organische materialen

• Elk experiment werd ook uitgevoerd op een controle monster (door hitte gesteriliseerde grond)

• “Pyrolytic Release Experiment” (PR)• “Gas Exchange Experiment” (GEX)• “Labeled Release Experiment” (LR)• “Gas Chromatograph - Mass

Spectrometer” (GCMS)

Viking Experimenten

40,000 componenten in een doos ter grootte van een accu!

Het “Pyrolytic Release (PR) experiment”• Aannamen: organismes zijn in staat CO

2 and CO te assimileren uit de

atmosfeer en deze in organisch materiaal om te zetten.• Experiment: Incubatie van kleine grond mosters onder een warme

lamp met C-14 gelabeld gas. Daarna werd de grond verhit om evt. organische componenten te ontbinden en het opgenomen C-14 te vinden.

• Result: Positief resultaat voor zowel het test monster als het controle monster

Het “Gas Exchange (GEX) Experiment”• Aannamen: Leven is lange tijd in hybernatie en komt tot leven na

toevoeging van voedsel en/of water • Experiment 1: Vocht werd toegevoegd aan het grond moster en het

vrijkomende gas 10 dagen lang geobserveerd• Experiment 2: Vocht + 19 amino zuren + vitaminen + zouten toegevoegd aan het grond moster om metabolisme te stimuleren.• Results: Positieve resultaten voor zowel het grond en controle moster.

Het “Labeled Release (LR) experiment”

• Aannamen: metabolische activiteit van de micro-organismen maakt CO

2 vrij

• Experiment: 7 organische voedingsstoffen met radioactief C-14 druppelen op het grond moster, en evt gas dat vrijkomt met C-14 wordt waargenomen• Results: Het test moster gaf een positief resultaat, terwijl het controle moster geen resultaat gaf!

LR Conclusie: duidelijk bewijs voor chemische reacties, maar biologisch???

Origineel

Het “Labeled Release (LR) experiment”Experiment Controle

Gas Chromatograaf- Mass Spectrometer (GCMS)

• Experiment: scheidt, identificeert, en qualificeert chemische componenten in de grond van Mars.

• Resultaat: Geen significante hoeveelheden organische materialen in de grond (alleen organische overblijfselen van schoonmaak middelen!)

30 jaar na Viking• Algemene concensus: chemische en niet biologische activiteit• Photochemische processen met onduidelijke details.

• Sommige mensen twijfelen (nieuws 08/01/2007): Leven op Mars kan gebaseerd zijn op H2O2 en de experimenten

hebben deze organismen gedood.

Meteorieten van MarsHoe weten we dat sommige meteorieten van Mars komen?SNC meteorieten: Shergottites, Nahkhlites, Chassignites

-> Meeste meteorieten zijn 4.5 Gyr oud, SNC’s slechts 200 Myr-> Alleen een object van planetaire omvang kan genoeg hitte produceren 200 Myr terug. Dus ze komen van de maan, Mercurius, Venus, Mars of Io.-> Mercurius, Venus en Io zijn gravitationeel onwaarschijnlijk. -> Ze lijken niet op maan rotsen-> Ze lijken in chemisch, isotopisch & in rots structuur op mars rotsen (ook edele gassen zijn vglb met Mars atmosfeer)

-> Dus Mars is de enige realistische optie

Mars meteoriet EETA79001• Atmospherisch gas zit vast in schok-geproduceerd glas• Abundance ratios identiek aan Mars atmosfeer!

Vorming van Mars meteorieten-> De SNC meteorieten vormen uit magna.-> Ze worden van het oppervlak de ruimte ingeslingerd na inslag van een projectiel (effect van schokken)

Mars Global Surveyor (MGS) Mars Orbiter Camera (MOC)

Krater op Mars +Lava stroom

ALH84001: Bewijs voor leven?• Meteoriet op Antarctica gevonden (1984),

herkend als zijnde van Mars in 1993• Reis: Gevormd 4.5 Gyr terug, en 15 Myr geleden

van het opervlak van Mars geslingerd. Op Aarde gekomen zo'n 10,000-15,000 jaar geleden

In 1996 zeiden NASA weten-schapper dat het mogelijkbuitenaards leven bevatte!

• Raster electronen microscoop laat structuren zien van 20-100 nm in grootte, welke lijken op gefossiliseerde overblijfselen van ‘nanobacterien’

• Amino zuren en PAH molekulen werden gevonden• Magnetiet korrels vglb met die gemaakt door bacterien (op aarde)

ALH84001: Bewijs voor leven?

Magnetiet

Huidige status van ALH840001

Er is geen sluitend bewijs voor hoe deze“nano-bacterie” structuren zijn gevormd, misschien

door besmetting op Aarde (over duizenden jaren), of niet-biologische processen. Magnetiet

korrels kunnen ook anders vormen.

Nog geen bewijs voor biologische processen op Mars

Huidige Mars Missies• Er zijn nu 4 missies op en rond Mars• Hoofdoelen: 1. betere kennis van de geologie van Mars 2. vroegere en hedendaagse rol van water op Mars

Mars Global Surveyor (geen contact na Nov 2006, NASA) Mars Explorer rovers (Spirit en Opportunity, NASA) Mars Odyssey (NASA) Mars Express (ESA) Mars Reconnaissance Orbiter (2006 ->, NASA)

Mars Global Surveyor Mars Explorers Mars Odyssey

Mars Express Phoenix Lander

+

Mars Reconnaissance

Mars Global Surveyor geeft beelden gemaakt van geulen en puin stromen die suggereren dat er misschien nu bronnen van vloeibaar water zijn, vergelijkbaar met verzadigde grondlagen, op of nabij het oppervlak van de planeet

Bewijs voor Water?

Mars Global Surveyor

Mars Global Surveyor

Viking image

viking

“Kleuren” beeld van eenkrater in de zuidelijkehooglanden van Mars,opgenomen met deHR imaging ScienceExperiment camera opde Mars Reconnaissance Orbiter

Zijn deze geulengevormd door water?

ESA's Mars ExpressDirecte waarneming: Water ijs op krater bodem

Zuidpool van Mars:

● Kooldioxide ijs● Water ijs (blauw)

Mars Express Omega Instrument: Reflectie zonlicht & warmte

MARS krater wand / Vulkaan (St. Helens)

Ondergrondse water lagen

NASA Mars Odyssey: zoeken naar ondergronds water

Hoe kan men ondergrond water detecteren?

• Kosmische straling raakt de grond, maakt neutronen vrij uit het oppervlak

• Het neutron botst met een ander atoom die daardoor exciteerd.• Het ge-exciteerde atoom gaat terug naar de grond toestand en

een gamma foton komt vrij met een energie die karakteristiek voor een bepaald chemisch element

Gamma-Ray spectrometer (GRS)Meet de gamma straling en teruggeketse neutronen

Gevoelig tot ongeveer 1m diepte

NASA Mars Odyssey: zoeken naar ondergronds water

Blauw laat 50% water in de bovenste 1m laag zien (aangenomen dat all waterstof in water zit)

NASA Mars Odyssey: zoeken naar ondergronds water

Conclusie: mogelijk leefbare plekken op Mars?

• Oppervlak van Mars erg extreem voor leven: korte golf UV straling, droog, geoxideerde grond

• Momenteel geen vloeibaar water aan oppervlak, of recentelijk bewijs voor lokaal vloeibaar water (over de laatste 5 jaar)

• Voldoende water in poolkappen en onder de grond• Er zijn periodes in de geschiedenis van Mars geweest waarin

het klimaat warmer is geweest en er vloeibaar water was op het oppervlak in grote hoeveelheden

Het is mogelijk dat er ooit leven op mars was, misschien nog steeds ondergronds, wachtend op betere tijden!