好奇號新發現的碳同位素可能為古代火星提供線索


美國太空總署的好奇號(Curiosity)火星車在2012年8月6日降落在火星上,此後一直在蓋爾(Gale)隕石坑中漫遊,採集樣本並將結果送回家供研究人員解釋。對從六個暴露位置(包括暴露的懸崖)採集的沉積物樣本中的碳同位素進行分析,研究人員對碳的來源有三個合理的解釋,包括:宇宙塵埃、二氧化碳的紫外線降解或生物產生的甲烷的紫外線降解。

這三種情況都是非常規的,與地球上常見的過程不同。碳有兩種穩定同位素,碳-12和碳-13。通過觀察物質中每種同位素的含量,研究人員可以確定發生的碳循環的細節,即使它發生在很久以前。

賓夕法尼亞州立大學地球科學教授基斯杜化·豪斯(Christopher H. House)說:「我們太陽系中碳-12和碳-13的數量是太陽系形成時存在的數量,兩者都存在於所有事物中,但由於碳-12的反應比碳-13更快,因此查看樣品中每種物質的相對含量可以顯示碳循環的情況。」

好奇號由美國太空總署位於南加州的噴射推進實驗室領導,在過去的九年裡一直在探索蓋爾隕石坑的一個區域,該區域暴露了古老的岩石層。火星車鑽入這些層的表面並從埋藏的沉積層中回收樣本。好奇號在沒有氧氣的情況下加熱樣本來分離任何化學物質。對該熱解產生的一部分還原碳的光譜分析顯示,碳-12和碳-13的含量範圍很廣,具體取決於原始樣本形成的地點或時間。一些碳樣本在碳-13中異常貧乏,而其它碳樣本則富富得多。

豪斯說:「碳-13 極度貧乏的樣本有點像澳洲從27億年前的沉積物中提取的樣本。這些樣本是由古代微生物墊消耗甲烷時的生物活動引起,但我們不一定在火星上這麼說,因為它可能是由與地球不同的材料和過程形成的行星。」

為了解釋異常枯竭的樣本,研究人員提出了三種可能性:宇宙塵埃雲、分解二氧化碳的紫外線輻射或生物產生的甲烷的紫外線降解。

根據豪斯的說法,太陽系每隔幾億年就會穿過一個銀河分子雲。它不會沉積很多灰塵,在地球記錄中很難看到任何這些沉積事件。

為了創造一個好奇號可以取樣的地層,銀河塵埃雲首先會降低火星上的溫度,火星上仍然含有水並形成了冰川。灰塵會沉積在冰的頂部,一旦冰川融化,就需要留在原地,留下一層包含碳的污垢。

到目前為止,火星上蓋爾隕石坑過去存在冰川的證據有限。根據研究人員的說法,這種解釋是合理的,但還需要進一步的研究。

碳-13含量較低的第二種可能解釋是二氧化碳通過紫外線轉化為甲醛等有機化合物。產生碳-13貧乏樣本的第三種可能方法具有生物學基礎。

在地球上,來自古地表的強烈碳-13耗盡特徵將表明過去的微生物消耗了微生物產生的甲烷。古代火星可能已經從地下釋放了大量的甲烷羽流,那裡的甲烷生產在能量上是有利。然後,釋放的甲烷被表面微生物消耗,或者與紫外線反應並直接沉積在表面上。

然而,據研究人員稱,目前在過去的火星景觀中沒有表面微生物的沉積證據,因此生物學解釋依賴於紫外線將碳-13 訊號放置在地面上。

豪斯說:「所有這三種可能性都指向一個不尋常的碳循環,這與當今地球上的任何事物都不同,但是我們需要更多的數據來確定其中哪一個是正確的解釋。如果火星車能夠探測到大量的甲烷羽流並從中測量碳同位素,那就太好了,但是雖然有甲烷羽流,但大多數都很小,而且沒有任何流動站採樣過足夠大的樣本來測量同位素。」

豪斯還指出,找到微生物墊的遺跡或冰川沉積物的證據也可以讓事情變得更清楚一些。好奇號仍在收集和分析樣本,並將在大約一個月後返回,在那裡它發現本研究中的一些樣本。

豪斯說:「這項研究實現了火星探索的長期目標,從另一個宜居世界的沉積物中測量不同的碳同位素,這是最重要的地質工具之一,它通過觀察九年的探索來做到這一點。」

【圖:美國太空總署;文:節譯自美國賓夕法尼亞州立大學2022年1月17日新聞公佈】研究全文刊登在2022年1月17日出版的《美國國家科學院院刊》 標題是:Depleted carbon isotope compositions observed at Gale crater, Mars


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