'Ondergrondse meren' van vloeibaar water op Mars hoe langer hoe onwaarschijnlijker

Waar er water is, is er leven. Dat is althans het geval op de aarde, en het is de reden waarom wetenschappers erg geïnteresseerd zijn in alles dat erop zou kunnen wijzen dat er vloeibaar water is op de koude, droge planeet Mars. 

De Rode Planeet is een ondankbare plaats om te zoeken naar vloeibaar water: hoewel waterijs er veel voorkomt, zou al het water dat warm genoeg is om vloeibaar te zijn aan het oppervlak, in een oogwenk verdampen in de ijle lucht van Mars. 

Vandaar dat er enige opwinding ontstond toen een team onder leiding van Roberto Orosei van het Italiaanse Instituto Nazionale di Astrofisica in 2018 aankondigde dat het aanwijzingen had gevonden voor ondergrondse meren diep onder de ijskap aan de zuidpool van Mars. De aanwijzingen kwamen van het radarinstrument MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionospheric Sounding) aan boord van de Mars Express-satelliet van de ESA. Dat instrument kan bijna 5 kilometer onder het oppervlak van Mars kijken. 

Radarsignalen kunnen door rotsen en ijs dringen en ze veranderen naargelang ze weerkaatst worden door verschillende materialen. In dit geval produceerden ze uitzonderlijk heldere signalen onder de ijskap, die geïnterpreteerd konden worden als het resultaat van vloeibaar water. Dat opende de mogelijkheid van het bestaan van een potentieel leefbaar milieu voor microben, en vandaar dus de opwinding. 

Nu hebben een aantal wetenschappers echter de data nauwgezet bekeken en experimenten uitgevoerd in een koud laboratorium, en ze denken dat niet water maar een vorm van klei of andere materialen de oorzaak zijn van de erg heldere signalen. Recent hebben drie nieuwe studies de kwestie behandeld en die hebben een aantal problemen met de hypothese van de ondergrondse meren gevonden en ook betere alternatieve verklaringen.  

Specialisten in de poolgebieden van Mars maken deel uit van een kleine, hechte gemeenschap. Niet lang nadat de studie over de ondergrondse meren verschenen was, kwamen een 80-tal van hen samen in Ushuaia, in het uiterste zuiden van Argentinië, voor de International Conference on Mars Polar Science and Exploration. 

Dergelijke samenkomsten bieden een gelegenheid om nieuwe theorieën uit te testen en elkaars standpunten in vraag te stellen. 

"Gemeenschappen kunnen hun eigen kleine wetenschappelijke ecosystemen voortbrengen", zei Jeffrey Plaut van het Jet Propulsion Laboratory van de NASA. Plaut is een van de twee belangrijkste onderzoekers van het MARSIS-project dat de intrigerende radarsignalen opgeleverd had, samen met Orosei, en hij woonde de conferentie in Ushuaia bij. 

"Deze gemeenschappen zijn zelfvoorzienend", zo zei Plaut, "aangezien je een vraag op iemand kunt loslaten en een jaar of twee later helpen ze je dan misschien een antwoord te vinden."

Veel van de gesprekken op de conferentie gingen over de ondergrondse meren. Hoeveel warmte zou er nodig zijn om water vloeibaar te houden onder al dat ijs? Zouden zouten het vriespunt van het water genoeg kunnen verlagen om het vloeibaar te houden?

Het was overigens niet de eerste keer dat een opwindende hypothese die verband hield met water, leidde tot een hele reeks van onderzoeken. In 2015 vond de Mars Reconnaissance Orbiter van de NASA iets dat eruitzag als strepen van nat zand die van een helling afliepen, een fenomeen dat 'recurring slope lineae' genoemd werd. 

Herhaalde waarnemingen met de HIRISE-camera (High-Resolution Imaging Science Experiment) van de orbiter hebben sindsdien echter duidelijk gemaakt dat het waarschijnlijker is dat het fenomeen het gevolg is van (droge) zandstromen. Eerder dit jaar vond een studie veel recurring slope lineae na een zandstorm op heel de planeet Mars in 2018. De bevindingen van die studie suggereren dat stof dat neervalt op de hellingen de zandstromen in gang zet. Die stromen leggen op hun beurt de donkere materialen van onder het oppervlak bloot, die de lineae hun karakteristieke kleur geven. 

En zoals dat met de hypothese van het natte zand het geval was, begonnen ook nu verschillende wetenschappers manieren te bedenken om de hypothese van de ondergrondse meren te testen. 

"Er heerste een gevoel dat we moesten proberen dit aan te pakken", zei Isaac Smith van de York University in Toronto die de conferentie in Ushuaia georganiseerd had en de leiding had over de recente studie die aantoont dat klei de waarnemingen kan verklaren.

Een van de wetenschappers die vonden dat ze de zaak nader moesten bekijken, was Jeffrey Plaut van het JPL. Samen met Aditya Khuller, een doctoraatsstudent die stage liep bij JPL, analyseerde hij 44.000 radarecho's van de voet van de poolkap uit 15 jaar van gegevens van MARSIS over heel de zuidpool van Mars.  

De signalen die oorspronkelijk geïnterpreteerd werden als afkomstig van vloeibaar water, werden gevonden in een klein deeltje van een gebied op Mars dat bekendstaat als de South Polar Layered Deposits (gelaagde afzettingen aan de zuidpool). Het is genoemd naar de afwisselende lagen van waterijs, droog ijs (bevroren koolstofdioxide) en stof die daar in de loop van miljoenen jaren zijn afgezet. 

Door radiogolven naar het oppervlak te sturen, kunnen wetenschappers onder de ijslagen kijken en ze gedetailleerd in kaart brengen. Radiogolven verliezen energie als ze door materiaal in de ondergrond gaan en als ze weerkaatst worden naar het ruimtetuig, geven ze meestal dan ook een zwakker signaal. 

Maar in sommige gevallen waren de signalen die terugkwamen uit de ondergrond helderder dan de signalen die van het oppervlak weerkaatsten. Het zijn die krachtige signalen die de wetenschappers in 2018 interpreteerden als afkomstig van ondergronds, vloeibaar water dat radiogolven zeer sterk weerkaatst. 

De analyse van de 44.000 radarecho's leverde tientallen bijkomende heldere radarweerkaatsingen op (zie kaart hierboven), over een veel groter gebied en op verschillende dieptes. Op sommige plaatsen waren ze afkomstig van minder dan 1,5 kilometer onder het oppervlak, waar de temperatuur naar schatting min 63 graden Celsius is. Dat is zo koud dat het water bevroren zou zijn, zelfs als het perchloraten zou bevatten, zoute mineralen die het vriespunt van water kunnen verlagen. 

Om toch vloeibaar te blijven, zou het water opgewarmd moeten worden door een externe bron van warmte. Khuller verwees echter naar een studie uit 2019 waarin wetenschappers de hoeveelheid warmte berekend hebben die nodig zou zijn om ondergronds ijs in dit gebied te laten smelten. Ze kwamen tot de conclusie dat enkel recente vulkanische activiteit onder het oppervlak de aanwezigheid van vloeibaar water onder de zuidpool zou kunnen verklaren. 

"Ze stelden vast dat het dubbele van de geschatte geothermale warmte op Mars nodig zou zijn om het water vloeibaar te houden", zei Khuller. "Eén mogelijke manier om deze hoeveelheid warmte te verkrijgen is door vulkanisme. We hebben echter geen duidelijke aanwijzingen gezien voor recent vulkanisme aan de zuidpool, en dus lijkt het onwaarschijnlijk dat er dankzij vulkanische activiteit vloeibaar water aanwezig zou kunnen zijn in dit gebied." 

De auteurs van de studie weten niet wat de heldere weerkaatsingen kan verklaren als het niet om vloeibaar water gaat. "We weten niet zeker of deze signalen afkomstig zijn van vloeibaar water of niet", zei Plaut. "Ofwel komt vloeibaar water veel voor onder de zuidpool van Mars ofwel wijzen deze signalen op iets anders."    

Twee verschillende teams van wetenschappers analyseerden vervolgens de krachtige radarsignalen om na te gaan of ook iets anders dan vloeibaar water die signalen zou kunnen opleveren. 

Een team onder leiding van Carver Bierson van de Arizona State University voerde een theoretische studie uit en kwam tot de conclusie dat verschillende andere materialen de weerkaatsingen zouden kunnen veroorzaken. 

"Het niet nodig om een beroep te doen op vloeibaar water aan de  basis van de poolkap om de resultaten van de MARSIS-waarnemingen te verklaren. Alternatieven zijn onder meer bepaalde soorten klei, sommige metallische mineralen en zout ijs", zei Nathaniel Putzig, een wetenschapper aan het Planetary Science Institute en medeauteur van de studie. 

"Ons team wilde een stapje terug zetten en de vraag stellen of er andere materialen waren naast vloeibaar water, die deze krachtige weerkaatsingen zouden kunnen veroorzaken", zei Bierson. " Zout ijs of geleidende mineralen aan de voet van de ijslaag zijn minder flashy, meer ze stemmen beter overeen met de extreem lage temperaturen aan de polen van Mars."

Een ondergrondse zone met vloeibaar water zal erg verschillende elektrische eigenschappen hebben dan het omringende ijs of de naburige rotsen en zal de radarstralen van MARSIS zeer sterk weerkaatsen. 

De eerdere analyses van de ondergrondse radarweerkaatsingen van MARSIS concentreerden zich, wat de elektrische eigenschappen betreft, vooral op de diëlektrische permittiviteit - het vermogen van een materiaal om elektrische energie op te slaan in een elektrisch veld. Permittiviteit bepaalt de snelheid van radiogolven in een materiaal - het snelst in een vacuüm, trager in ijs, nog trager in rotsen en water - en het heeft ook een invloed op de kracht van de weerkaatste golven. 

De nieuwe studie bekeek het elektrische geleidingsvermogen om te verklaren wat MARSIS waargenomen heeft. Een radarweerkaatsing kan krachtig zijn door een groot contrast in ofwel de diëlektrische permittiviteit of in het elektrische geleidingsvermgen. 

Eerdere studies keken enkel naar contrasten in permittiviteit maar contrasten in het elektrisch geleidingsvermogen tussen materialen zouden ook een verklaring kunnen bieden voor de heldere weerkaatsingen. De studie stelt dat die verschillen te wijten kunnen zijn aan bepaalde soorten klei, metaalhoudende mineralen of zout ijs onder de ijskap van de zuidpool.  Volgens de wetenschappers bieden die een plausibele alternatieve verklaring voor de waarnemingen. 

Een derde team onder leiding van Isaac Smith deed een aantal proeven in hun laboratorium op een groep van gehydrateerde kleisoorten die smectieten genoemd worden, in de wetenschap dat smectieten over heel Mars gevonden worden. 

Smectieten zien eruit als gewone rotsen maar ze zijn lang geleden gevormd door water. Smith en zijn team plaatsten verschillende stalen van smectiet in een cylinder die ontworpen was om te meten hoe radarsignalen ermee zouden interageren. 

Hij bevroor de stalen ook met vloeibare stikstof tot min 50 graden, een temperatuur die dicht in de buurt komt van wat de temperatuur op de zuidpool van Mars zou zijn. 

Nadat de stalen bevroren waren, stelde het team vast dat de respons van de smectieten op de radarsignalen bijna perfect overeenstemde met de waarnemingen van MARSIS. 

Vervolgens onderzochten de wetenschappers of er smectieten aanwezig waren op Mars in de buurt waar de oorspronkelijke sterke radarsignalen waren waargenomen in 2018. Ze gebruikten daarvoor gegevens van de Mars Reconnaissance Orbiter die een instrument aan boord heeft, de Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer (CRISM), dat mineralen in kaart brengt. 

En dat leverde resultaat op. Hoewel CRISM niet door het ijs kan kijken, vond het team smectieten verspreid over het oppervlak in de buurt van de ijskap. Het lijkt dan ook waarschijnlijk dat er ook smectiet onder het oppervlak zit en daar op een diepte van zowat 1,5 kilometer onder het oppervlak de krachtige weerkaatsingen veroorzaakt heeft. 

"Smectieten komen zeer veel voor op Mars, ze bedekken zowat de helft van de planeet, vooral in het zuidelijk halfrond", zei Smith. "Dat gegeven, samen met de radarweerkaatsende eigenschappen van smectieten op erg lage temperaturen, maakt van hen de meest waarschijnlijke verklaring voor dit raadsel." Volgens de auteurs is het dan ook niet nodig om de aanwezigheid van vloeibaar water te veronderstellen, wat onwaarschijnlijke hoeveelheden warmte en zouten zou vereisen. 

De wetenschappers hadden echter eerder gehoopt meren te vinden. "Jammer genoeg is dit een beetje een teleurstelling", zei medeauteur Dan Lalich van Cornell University, "aangezien meren onder de ijskap erg opwindend zouden zijn geweest. We geloven echter dat de smectiet-hypothese waarschijnlijker is en beter overeenstemt met andere waarnemingen."

Er is geen enkele manier om te bevestigen wat de krachtige radarsignalen zijn zonder te landen op de zuidpool van Mars en door kilometers ijs te boren, iets wat momenteel onmogelijk is. Maar de recente studies hebben aannemelijke verklaringen geboden die logischer zijn dan vloeibaar water.

"In de planetaire wetenschap kruipen we vaak maar centimeter per centimeter dichter bij de waarheid", zei Plaut. "De oorspronkelijke studie bewees niet dat het water was en deze nieuwe studies bewijzen niet dat het geen water is. Maar we proberen de mogelijkheden zo veel mogelijk te beperken om tot een consensus te komen." 

De studies van Khuller en Plaut, van het team onder leiding van Bierson en van het team onder leiding van Smith zijn gepubliceerd in Geophysical Resarch Letters. Dit artikel is gebaseerd op persberichten van de NASA, Cornell University en het Planetary Science Institute.