20 DECEMBER 2003

Mars in zicht - Karel Knip

MARSMISSIES PUTTEN HOOP UIT AANWEZIGHEID WATER

Mars krijgt weldra bezoek van drie landers. Eerste kerstdag stuitert de Britse Beagle-2 op de Rode Planeet, januari volgen twee Amerikaanse rovers. Ze moeten antwoord geven op de prangende vraag: was er leven op Mars?

NA EEN PAUZE van meer dan zes jaar zullen de komende maand drie pogingen worden ondernomen om weer meetapparatuur op de planeet Mars af te zetten. Op eerste kerstdag (25 december) moet de Britse Beagle-2 aan een parachute neerdalen op de nabije planeet. Op 3 en 24 januari volgen dan de Amerikaanse `rovers' Spirit en Opportunity. Als er niet te veel mis gaat zou dit het begin kunnen worden van een lange periode van ononderbroken Mars-onderzoek.

De Nasa is niet zonder ambitie, maar weet dat teleurstellende resultaten vaak onmiddellijk gevolgen hebben voor het budget. Na het jammerlijk falen, in 1999,van zowel de Climate Orbiter als de Polar Lander heeft de organisatie haar oorspronkelijke Mars-plannen geheel moeten herzien. In oktober 2000 werd het nieuwe `Mars Exploration Program' gepresenteerd. Een commissie van de National Research Council beoordeelde het op zijn wetenschappelijke merites en legde haar conclusies vast in het leesbare rapport `Assessment of Mars Science and Mission Priorities' (2001/2003, op www.nap.edu). Het rapport geeft ook een handzaam overzicht van de huidige stand van de kennis over Mars.

De NRC-commissie oordeelt dat er maar ťťn onderzoeksvraag is die er echt toe doet: was er ooit leven op Mars. `Did life ever arise on Mars?' De commissie begrijpt dat die vraag ook Nasa bezighoudt, maar vindt dat Nasa de kwestie in het MEP-program te eng benadert en bovendien dat er te weinig aandacht is voor water. Water, noteert de NRC, is een onderwerp van bijzonder belang, vooral als voorwaarde voor leven. `Dit wordt in zo brede kring erkend dat de slogan `Follow the water' kon ontstaan.' Maar de Nasa doet dat niet, vreest de NRC.



GRONDMONSTERS



Toch zijn er dankzij de Nasa heel veel nieuwe inzichten en hypothesen ontstaan rond de aanwezigheid en de rol van water op Mars, sinds de Mariner-9 in 1971 voor het eerste droge geulen en beddingen fotografeerde. De Viking-landers toonden rond 1976 water aan in grondmonsters en de bijbehorende orbiters registreerden de wisselende waterdamp-gehaltes van de Mars-atmosfeer. Ook zij maakten scherpe foto's van het Mars-oppervlak waarop stroomgeulen en beddingen te zien waren. Maar de voornaamste nieuwe inzichten zijn toch pas het laatste decennium ontstaan dankzij het voortreffelijk functioneren van de Mars Global Surveyor en de Mars Odyssey.



Er is inmiddels een reeks van intrigerende conclusies getrokken.De voornaamste is dat het inderdaad water was dat de geulen, beddingen en delta's vormde. Een klein deel van dat water is ook werkelijk gevonden: als enigszins vuil ijs onder het prachtig witte `droge ijs' (vast kooldioxide, de ijle Mars-atmosfeer bestaat voornamelijk uit CO2) op de zuidpool (Science, 14 februari 2003). Dat het daar zou moeten zijn was al afgeleid uit de temperatuur- en dampspannings-metingen uit de Viking-tijd. Als er na de lokale winter weer veel CO2 verdampt op de zuidpool, komt het waterijs aan de randen van de poolkap tevoorschijn.



Maar waar die enorme hoeveelheden water zijn gebleven die ooit over Mars moeten hebben gestroomd is nog steeds een raadsel. Uit isotopen-analyse is afgeleid dat veel Mars-waterstof in de ruimte is verdwenen (Science, 30 november 2001). Maar op 5 juli 2002 bracht Science een serie artikelen die op grond van analyse aan gammastraling (door de Odyssey-orbiter) tot de conclusie kwamen dat er op de hogere breedten van Mars nog heel veel water, althans waterstof, in de bodem moet zitten, hoogstens een meter diep. Als ijs, ongetwijfeld. Ook dit was al op meer theoretische gronden voorspeld in 1979 door de onderzoekers Farmer en Doms.



Bij gebrek aan zichtbaar water probeert men de (historische) aan- of afwezigheid van water ook indirect aan te tonen door het opsporen van mineralen die gewoonlijk, althans op aarde, alleen in aanwezigheid van water worden gevormd. Hematiet (ijzeroxide, Fe2O3) is daarvan een voorbeeld. Olivijn, dat ook is aangetroffen, zou juist bij aanwezigheid van water snel in andere mineralen worden omgezet. Zowel de Beagle-2 als de twee Nasa-rovers zijn uitgerust met apparatuur (MŲssbauer-spectrometers) voor het meten van de oxidatietoestand (valentie) van ijzer in ijzerhoudende mineralen. Die kunnen, zoals hematiet en olivijn, extra aanwijzingen geven over de vochtigheid van Mars' verleden.



CATASTROFE



Uit de haarscherpe opnamen van de Mars Global Surveyor valt af te leiden dat er in het geologisch verleden van Mars regelmatig enorme hoeveelheden water of modder vrijwel momentaan moeten zijn weggestroomd, vermoedelijk als gevolg van een of andere catastrofe. Maar er zijn ook intrigerende aanwijzingen dat op andere plaatsen water heel lang en kalm (`persistent') kon stromen (Science, 12 december 2003) en dat het op de nog jonge Mars zelfs geregend heeft (Science, 6 juni 2003). In 2000 was er opeens grote opwinding over het bericht dat er zelfs nog tamelijk recent grondwater had gesijpeld uit bergflanken. Er werden `gullies' (geulen) aangetroffen in formaties die geologisch gezien heel jong waren, zij het toch nog miljoenen jaren oud (Science, 30 juni 2000).



Dat laatste maakte het raadsel eigenlijk alleen maar groter, want van de planeet uit die tijd staat wel vast dat-ie vrijwel net zo intens koud was als de huidige. Hoe kon dat water dan gestroomd hebben? Sommigen onderzoekers schrijven het lokaal smelten van Mars-ijs toe aan vulkanisme en geothermie, anderen wijzen op de hitte die vrijkomt bij meteorietinslagen. Een derde groep ziet het onbegrijpelijke smelten als een uiting van klimaatverandering. Zoals de aarde zou ook Mars een afwisseling van warme en koude perioden kennen, samenhangend met veranderingen in de stand van de draaiingsas van de planeet (ŗ la MilankovŪc). Er worden veel modelstudies gedaan aan deze mogelijkheid.



Wat de kans op bestaand of voormalig `leven' op Mars betreft is het moeilijk te zeggen of de verwachtingen zijn gegroeid of juist niet. ņls de hoop al is toegemomen is dat vooral op grond van de constatering dat op aarde ook steeds vaker levende bacteriŽn in zeer extreme milieus worden aangetroffen. Als er op Mars `leven' mocht zijn, dan bevindt zich dat zeker in de bodem, buiten het bereik van de gevaarlijke ultraviolette straling van de zon (die de Mars-atmosfeer niet tegenhoudt) en op een plaats waar het water net vloeibaar is. Het is niet onaannemelijk dat op tal van plaatsen koolstofhoudende verbindingen als `voedsel' aanwezig zijn, al was het maar omdat de meteorieten die op Mars neerploffen vaak koolstofhoudend zijn. Bovendien is niet onmogelijk dat de nog onbekende organismen niet meer dan CO2 als koolstofbron nodig hebben.



Bij twee gelegenheden is intensief naar de mogelijkheid van `leven' op Mars gespeurd. De eerste keer was dat toen de Viking-landers in 1976 hun goed doordachte biologische experimenten uitvoerden. Daarbij werden verschillende al of niet radioactief gemerkte verbindingen aangeboden aan monsters Mars-grond om te kijken of misschien ťťn van die verbindingen werd opgenomen. De experimenten hadden een verwarrende uitkomst. Er werd namelijk inderdaad een effect waargenomen dat op `leven' wees, maar dat werd ook gevonden in controle-experimenten met Mars-grond die vooraf was gesteriliseerd. Uiteindelijk is besloten dat hier een onbekende chemische reactie werkzaam was. Wat de doorslag gaf was de constatering dat in monsters Mars-grond geen spoor van organische verbindingen viel aan te tonen.



Een enkele onderzoeker houdt vol dat de gebruikte apparatuur (een gaschromatograaf-massaspectrometer) daarvoor te ongevoelig was. Maar bijna iedereen heeft zich bij de conclusie neergelegd. Voor de geheimzinnige chemische reactie is inmiddels een acceptabele kandidaat gevonden. Bovendien is aangetoond dat woestijnzand uit Chili waarin geen enkel leven voorkomt dezelfde wonderlijke effecten oproept in de Viking-proeven (Science, 7 november 2003).



In 1981 kwam vast te staan dat een tiental zogenoemde SNC-meteorieten, dat op aarde was verzameld, van Mars afkomstig moest zijn. De samenstelling van gasinsluitsels in de meteorieten kwam tot in detail overeen met de analyse die de Vikings van de Mars-atmosfeer hadden gemaakt. Vijftien jaar later kwam een groep Nasa-onderzoekers aangevoerd door David McKay met het sensationele bericht dat zij in de Mars-meteoriet ALH84001 sporen van leven hadden gevonden (Science, 16 augustus 1996). De meteoriet bestond uit een gesteente waarin, 4 miljard jaar geleden, door een `shock event' (een naburige inslag of explosie) scheurtjes waren ontstaan en 16 miljoen jaar geleden was de steen bij een tweede inslag van Mars de ruimte ingeslingerd. En 13.000 jaar geleden landde hij op aarde, op het ijs van de zuidpool wel te verstaan, in een brandschone, nagenoeg steriele omgeving.



SCHEURTJES



McKay c.s hadden in de oude scheurtjes vier verschillende aanwijzingen voor leven gevonden, vertelden zij op een persconferentie. De mooiste was dat de bacteriŽn er zelf nog gefossiliseerd bijlagen. Ook mooi was dat er magnetiet-kristallen te zien waren die op aarde alleen bekend zijn als insluitsels van een bepaalde groep bacteriŽn.



In de maanden en jaren na de persconferentie van McKay is gehakt gemaakt van zijn ontdekking. De bacteriŽn bleken chemische groeisels en de andere aanwijzingen kregen een alternatieve verklaring. Het langst hebben zich nog de magnetiet-kristallen als teken van leven gehandhaafd, zelfs tot op 27 februari 2001 (Proceedings of the National Academy of Sciences). Maar in november 2001 werd de theorie in dezelfde PNAS onderuit gehaald. Bij nader inzien leken de kristallen juist niet op de kristallen die in bacteriŽn worden gevonden. Wat in feite nog resteert is McKays argument dat vooral de combinatie van bijzonderheden hem te toevallig leek.



Na Kerstmis zal de Beagle-2 ook een bescheiden poging wagen een teken van leven te vinden. De zogenoemde `gas analysis package' GAP bevat een uiterst gevoelige massaspectrometer die in staat is moleculen en atomen te analyseren die, al of niet na verhitting, uit bodem- of rotsmonsters vrijkomen of al in de lucht aanwezig zijn. De spectrometer kan ook de verschillende stabiele isotopen koolstof (C/C), stikstof en zuurstof van elkaar onderscheiden. Levende organismen verwerken die isotopen vaak op een andere manier dan abiotische processen. Tenslotte kan de meter heel lage concentraties methaan aantonen. Meetbare hoeveelheden methaan op Mars zijn een vrijwel zeker teken van leven.



Orbiters gaan langer mee dan landers en rovers Het Mars-onderzoek maakt sinds 1960 gebruikt van zogenoemde flyby's, orbiters, landers en rovers. De eerste min of meer geslaagde flyby's van de sondes Mariner-4 (in 1964) en Mariner-6 (in 1969) leverden foto's op waarop eigenlijk niet veel meer was te zien dan dat het Mars-oppervlak, net zoals de maan, pokdalig is van de inslagkraters. In 1971 werd voor het eerst een satelliet in een baan om Mars gebracht, de orbiter Mariner-9. Dat bracht een sensatie: op de heldere foto's van Mars waren tal van droge stroomgeulen, rivierbeddingen en dramatische `outflow channels' te zien. Kennelijk had in een ver verleden een grote hoeveelheid water (of een andere vloeistof) over het Mars-oppervlak gestroomd. De sporen van water gaven de belangstelling voor Mars-onderzoek een geweldige impuls: waar water was kon leven zijn. In 1975 stuurde de Amerikaanse Nasa voor het eerste twee identieke landers naar Mars, de Viking-1 en Viking-2. Ze reisden mee met twee orbiters die in een baan om de planeet werden gebracht en het terrein fotografisch verkenden. Na een paar weken werden de landers losgelaten, ze landden in juli en september 1976. De Vikings hadden tot taak detailopnames van het terrein te maken, de samenstelling van de onderste atmosfeerlaag te analyseren en te zoeken naar tekenen van leven. De missie werd een fabelachtig succes. De landers verzamelden een schat aan gegevens en hebben jarenlang gefunctioneerd. De bijbehorende orbiters stuurden foto's van het Marsoppervlak waarop meer details te zien waren dan tevoren. Daarna is een opvallende pauze ingetreden in het Mars-onderzoek, ten dele door de invallende economische recessie, ten dele door de conclusie dat de Vikings geen spoor van leven hadden gevonden. De Mars Observer die de Nasa in 1992 naar Mars stuurde faalde - over de periode 1960 tot heden is meer dan tweederde van de Mars-vluchten vroeg of laat mislukt; vooral de Russen hebben nauwelijks successen kunnen boeken, zij kregen nooit een werkende lander op Mars. Maar in juli 1997 vond opnieuw een landing plaats op Mars, aan een parachute daalde de Pathfinder neer, die tegen een harde landing werd beschermd door een omhulling van gasballonnen. De Pathfinder was een moederstation voor de kleine rover Sojourner, een karretje op zes wielen dat vrij over het Mars-oppervlak rijden kon. Het grote voordeel daarvan is dat de rover naar geologische interessante objecten geloodst kan worden. Zowel de rover als de lander waren voorzien van camera's en de rover kon (zij het met grote vertraging) vanaf de aarde worden bestuurd. De panoramische opnames van de Pathfinder (bijna realtime via internet te downloaden) brachten een nieuwe generatie in extase, maar vertoonden toch grote overeenkomst met die van de Viking-landers. Pathfinder en Sojourner zijn allang stilgevallen, landers en rovers eindigen hun leven als er te veel stof op de zonnepanelen komt en de batterijen (accu's) leeg raken. De Pathfinder-missie is misschien meer een technisch dan een wetenschappelijk succes geweest. Vast staat dat uit de gegevens die de orbiters Mars Global Surveyor (aankomst september 1997) en Mars Odyssey (aankomst oktober 2001) vŤrgaande wetenschappelijke conclusies zijn getrokken over de aanwezigheid van vloeibaar en bevroren water. Ze zijn nog steeds in gebruik. Orbiters gaan langer mee dan landers en rovers, hun leeftijd wordt vooral bepaald door de voorraad gas of brandstof waarmee de noodzakelijke koerscorrecties kunnen worden aangebracht. De Mars Climate Orbiter en de Mars Polar Lander die eind 1998, begin 1999 werden gelanceerd zijn beide jammerlijk mislukt, waarschijnlijk door rekenfouten en falende software. (Ook de Russische Mars 96, een lander/rover, viel uit.) Het is voor de Nasa een traumatische ervaring geweest, het Mars-programma heeft er zwaar van te lijden gehad. Volgende maand krijgt de organisatie een herkansing, maar de Europese Esa bijt het spits af met de orbiter Mars Express en de lander Beagle-2. Met de Mars Express, gedeeltelijk afgeleid van de Russische Mars 96 en door een Russische raket gelanceerd, brengt de Esa voor het eerst een bezoek aan een andere planeet. Het meest tot de verbeelding spreekt de lander Beagle-2, die op eerste kerstdag neerkomt. Volgens schema is hij afgelopen nacht losgestoten van de Mars Express en aan een langzame daling naar het Marsoppervlak begonnen. Op 25 december zullen weer een parachute en gasballonen worden gebruikt om de val te breken. De Beagle-2 is niet groter dan een fietswiel, weegt maar 32 kilo en klapt open als een klassiek vestzak-horloge - daarbij ontvouwen ook de zonnepanelen zich. De Beagle-2, voornamelijk van Brits ontwerp, is onbeweeglijk maar heeft een robotarm die toch een redelijk bereik heeft. Bovendien is er een vernuftig graafmachientje aan een koord (`Pluto') dat zich op enige afstad van de lander kan begeven, bijvoorbeeld om onder een rots een bodemmonster te nemen. De Beagle-2 is vooral toegerust voor geologisch onderzoek (er kan in gesteente worden geboord en met een zeer sterke loep worden gekeken) maar doet ook allerhande meteorologische waarnemingen (druk, temperatuur, windsnelheid, stofgehalte, enz.). Heel veel wordt verwacht van de speciale middelen die aan boord zijn voor het (indirect) aantonen van levensprocessen. De Beagle-2 heeft te gering elektrisch vermogen om rechtstreeks met de aarde te communiceren, dat moet via de Mars Express of desnoods via de Mars Odyssey van de Nasa. Op 3 en 24 januari moeten, alweer met behulp van parachutes en gasballonnen, de Nasa-rovers Spirit en Opportunity landen, net als de Beagle-2 in een gebied tamelijk dicht bij de Mars-evenaar. De Amerikanen menen dat daar betere kansen zijn voor het wateronderzoek dan in het Europse landingsgebied. Het is de Amerikanen ook in de eerste plaats om dat water te doen. De twee rovers lijken op de Sojourner, maar ditmaal is alle meetapparatuur in de karretjes gebracht. Die apparatuur komt in ruwe lijn overeen met die van de Beagle-2, de Duitse MŲssbauer-spectrometer is zelfs identiek. Ook de Nasa doet vooral geologisch onderzoek. De rovers hebben geen middelen om naar `leven' te speuren, hebben de Amerikanen met enige spijt toegegeven. Alleen van de Britten kan dus binnenkort echt sensationeel nieuws komen.