Ao estudar os elementos químicos em Marte hoje - incluindo carbono e oxigênio - os cientistas podem trabalhar no passado para juntar as peças da história de um planeta que já teve as condições necessárias para sustentar a vida.

Tecendo essa história, elemento por elemento, de aproximadamente 140 milhões de milhas (225 milhões de quilômetros) de distância é um processo meticuloso. Mas os cientistas não são do tipo que se intimidam facilmente. Orbitadores e rovers em Marte confirmaram que o planeta já teve água líquida, graças a pistas que incluem leitos de rios secos, litorais antigos, e química de superfície salgada. Usando o Curiosity Rover da NASA, os cientistas encontraram evidências de lagos de vida longa. Eles também desenterraram compostos orgânicos, ou os blocos de construção químicos da vida. A combinação de água líquida e compostos orgânicos obriga os cientistas a continuar pesquisando em Marte por sinais de vida passada - ou presente.

Apesar das evidências tentadoras encontradas até agora, a compreensão dos cientistas da história marciana ainda está se desenvolvendo, com várias questões importantes abertas para debate. Para um, era a antiga atmosfera marciana espessa o suficiente para manter o planeta aquecido, e assim molhado, pela quantidade de tempo necessária para germinar e nutrir a vida? E os compostos orgânicos:são sinais de vida - ou da química que acontece quando as rochas marcianas interagem com a água e a luz do sol?

Em um recente Astronomia da Natureza relatório sobre um experimento de vários anos conduzido no laboratório de química dentro da barriga de Curiosity, chamado Sample Analysis at Mars (SAM), uma equipe de cientistas oferece alguns insights para ajudar a responder a essas perguntas. A equipe descobriu que certos minerais nas rochas da cratera Gale podem ter se formado em um lago coberto de gelo. Esses minerais podem ter se formado durante um estágio frio imprensado entre os períodos mais quentes, ou depois que Marte perdeu a maior parte de sua atmosfera e começou a ficar permanentemente frio.

Gale é uma cratera do tamanho de Connecticut e Rhode Island combinadas. Ele foi selecionado como local de pouso do Curiosity em 2012 porque tinha sinais de água no passado, incluindo minerais de argila que podem ajudar a capturar e preservar moléculas orgânicas antigas. De fato, enquanto explora a base de uma montanha no centro da cratera, chamado Mount Sharp, A curiosidade encontrou uma camada de sedimentos 1, 304 metros de espessura que foram depositados como lama em lagos antigos. Para formar tanto sedimento, uma quantidade incrível de água teria escorrido para esses lagos por milhões a dezenas de milhões de anos quentes e úmidos, alguns cientistas dizem. Mas algumas características geológicas na cratera também sugerem um passado que incluía o frio, condições geladas.

"Em algum ponto, O ambiente da superfície de Marte deve ter passado por uma transição de ser quente e úmido para ser frio e seco, como é agora, mas exatamente quando e como isso ocorreu ainda é um mistério, "diz Heather Franz, um geoquímico da NASA baseado no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland.

Franz, que liderou o estudo SAM, observa que fatores como mudanças na obliquidade de Marte e a quantidade de atividade vulcânica podem ter causado a alternância do clima marciano entre quente e frio ao longo do tempo. Essa ideia é apoiada por mudanças químicas e mineralógicas em rochas marcianas, mostrando que algumas camadas se formaram em ambientes mais frios e outras se formaram em ambientes mais quentes.

Em todo o caso, disse Franz, a série de dados coletados pelo Curiosity até agora sugere que a equipe está vendo evidências de mudanças climáticas em Marte registradas nas rochas.

Estrela de carbono e oxigênio na história do clima marciano

A equipe de Franz encontrou evidências de um ambiente antigo e frio depois que o laboratório SAM extraiu os gases dióxido de carbono, ou CO ₂ , e oxigênio de 13 amostras de poeira e rocha. A Curiosity coletou essas amostras ao longo de cinco anos terrestres (anos terrestres vs. anos de Marte).

CO ₂ é uma molécula de um átomo de carbono ligada a dois átomos de oxigênio, com o carbono servindo como uma testemunha chave no caso do misterioso clima marciano. Na verdade, este elemento simples, porém versátil, é tão crítico quanto a água na busca por vida em outro lugar. Na terra, o carbono flui continuamente pelo ar, agua, e emergem em um ciclo bem conhecido que depende da vida. Por exemplo, as plantas absorvem carbono da atmosfera na forma de CO ₂ . Em troca, eles produzem oxigênio, que os humanos e a maioria das outras formas de vida usam para a respiração em um processo que termina com a liberação de carbono de volta para o ar, novamente via CO ₂ , ou na crosta terrestre à medida que as formas de vida morrem e são enterradas.

Os cientistas estão descobrindo que também existe um ciclo do carbono em Marte e estão trabalhando para entendê-lo. Com pouca água ou vida abundante na superfície do Planeta Vermelho por pelo menos 3 bilhões de anos, o ciclo do carbono é muito diferente do da Terra.

"No entanto, o ciclo do carbono ainda está acontecendo e ainda é importante porque não está apenas ajudando a revelar informações sobre o antigo clima de Marte, "diz Paul Mahaffy, investigador principal do SAM e diretor da Divisão de Exploração do Sistema Solar da NASA Goddard. "Também está nos mostrando que Marte é um planeta dinâmico que faz circular elementos que são os blocos de construção da vida como a conhecemos."

Os gases criam um caso para um período de frio

Depois que o Curiosity alimentou amostras de rocha e poeira no SAM, o laboratório aqueceu cada um a quase 1, 650 graus Fahrenheit (900 graus Celsius) para liberar os gases internos. Ao olhar para as temperaturas do forno que liberaram o CO ₂ e oxigênio, os cientistas podiam dizer de que tipo de minerais os gases vinham. Esse tipo de informação os ajuda a entender como o carbono está circulando em Marte.

Vários estudos sugeriram que a antiga atmosfera de Marte, contendo principalmente CO ₂ , pode ter sido mais espesso do que a da Terra é hoje. A maior parte dele foi perdida no espaço, mas alguns podem estar armazenados em rochas na superfície do planeta, particularmente na forma de carbonatos, que são minerais feitos de carbono e oxigênio. Na terra, carbonatos são produzidos quando CO ₂ do ar é absorvido pelos oceanos e outros corpos d'água e, em seguida, mineralizado em rochas. Os cientistas acham que o mesmo processo aconteceu em Marte e que poderia ajudar a explicar o que aconteceu com parte da atmosfera marciana.

Ainda, missões a Marte não encontraram carbonatos suficientes na superfície para suportar uma atmosfera densa.

Apesar disso, os poucos carbonatos que o SAM detectou revelaram algo interessante sobre o clima marciano por meio dos isótopos de carbono e oxigênio armazenados neles. Isótopos são versões de cada elemento que possuem massas diferentes. Porque diferentes processos químicos, da formação rochosa à atividade biológica, usar esses isótopos em proporções diferentes, as proporções de isótopos pesados ​​para leves em uma rocha fornecem aos cientistas pistas de como a rocha se formou.

Em alguns dos carbonatos SAM encontrados, os cientistas notaram que os isótopos de oxigênio eram mais leves do que os da atmosfera marciana. Isso sugere que os carbonatos não se formaram há muito tempo simplesmente a partir do CO atmosférico ₂ absorvido por um lago. Se eles tivessem, os isótopos de oxigênio nas rochas seriam ligeiramente mais pesados ​​do que os do ar.

Embora seja possível que os carbonatos tenham se formado bem no início da história de Marte, quando a composição atmosférica era um pouco diferente do que é hoje, Franz e seus colegas sugerem que os carbonatos mais provavelmente se formaram em um lago congelado. Neste cenário, o gelo poderia ter sugado pesados ​​isótopos de oxigênio e deixado os mais leves para formar carbonatos mais tarde. Outros cientistas do Curiosity também apresentaram evidências sugerindo que lagos cobertos de gelo podem ter existido na cratera Gale.

Então, onde está todo o carbono?

A baixa abundância de carbonatos em Marte é intrigante, cientistas dizem. Se não houver muitos desses minerais na cratera Gale, talvez a atmosfera inicial fosse mais tênue do que o previsto. Ou talvez outra coisa esteja armazenando o carbono atmosférico ausente.

Com base em sua análise, Franz e seus colegas sugerem que algum carbono pode ser sequestrado em outros minerais, como oxalatos, que armazenam carbono e oxigênio em uma estrutura diferente dos carbonatos. Sua hipótese é baseada nas temperaturas em que o CO ₂ foi liberado de algumas amostras dentro do SAM - muito baixo para carbonatos, mas perfeito para oxalatos - e nas diferentes proporções de isótopos de carbono e oxigênio que os cientistas viram nos carbonatos.

Um modelo de uma molécula de carbonato ao lado de uma molécula de oxalato

Os oxalatos são o tipo mais comum de mineral orgânico produzido pelas plantas na Terra. Mas oxalatos também podem ser produzidos sem biologia. Uma maneira é por meio da interação do CO atmosférico ₂ com minerais de superfície, agua, e luz do sol, em um processo conhecido como fotossíntese abiótica. Este tipo de química é difícil de encontrar na Terra porque há vida abundante aqui, mas a equipe de Franz espera criar fotossíntese abiótica em laboratório para descobrir se ela realmente pode ser responsável pela química do carbono que estão vendo na cratera Gale.

Na terra, a fotossíntese abiótica pode ter pavimentado o caminho para a fotossíntese entre algumas das primeiras formas de vida microscópicas, é por isso que encontrá-lo em outros planetas interessa aos astrobiólogos.

Mesmo que a fotossíntese abiótica tenha bloqueado algum carbono da atmosfera nas rochas da cratera Gale, Franz e seus colegas gostariam de estudar o solo e a poeira de diferentes partes de Marte para entender se os resultados da cratera Gale refletem uma imagem global. Eles podem um dia ter a chance de fazer isso. Perseverance Mars rover da NASA, devido ao lançamento em Marte entre julho e agosto de 2020, planeja empacotar amostras na cratera de Jezero para possível retorno aos laboratórios na Terra.