Egy új műszer megoldhatja a marsi metán rejtélyét

A marsi légkör metánjának első észlelése óta foglalkoztatja az asztrobiológusokat a kérdés, vajon a gáz élő vagy élettelen forrásból származik. A Princeton Egyetem kutatóinak fejlesztés alatt álló detektora választ fog adni a kérdésre, amint eljut a Marsra.

A 2003-ban észlelt metán az első szerves anyag, amit a Marson felfedeztek, ezért különösen nagy lehet a jelentősége, az adatok elemzései ugyanis egyáltalán nem zárják ki a biológiai eredetet. "A Földön a metán nagy része biológiai úton jön létre" - tette hozzá a Princeton projektjében részt vevő Tullis Onstott. Bolygónkon metanogén mikrobák metabolizmusuk részeként termelik ezt az üvegház gázt. Hasonló organizmusok a marsi talajban is elképzelhetők, ugyanakkor a metán geokémiai úton is létrejöhet, az élet közreműködése nélkül.

Onsott és kollégái egy optikai műszeren dolgoznak, amit a jövő egyik marsjáró-küldetése vihet magával, hogy megfejtse a metánforrás rejtélyét. A metánt nagy teljesítményű földi távcsövekkel észlelték, aminek a jelenlétét később az ESA Mars Express űrszondája is megerősítette. Bár mennyiségileg csekély, a Föld 1800 ppm értékéhez képest mindössze 10 ppm, úgy tűnik az egyenlítő egyes területeire koncentrálódik. Mivel ezek a metán "felhők" éveken át fennmaradnak, forrásuknak viszonylag állandónak és helyhez kötöttnek kell lennie.



Onsott becslése szerint a Mars metán termelése nagyjából a Föld sarkvidéki fagyott altalajával vethető össze. De vajon mi állítja elő a metánt ilyen jelentős mértékben? Számos lehetséges válasz létezik, azt azonban nem lehet megmondani, hogy melyik az igaz.

Nem biológiai úton történő termelődéshez magas hőmérsékletre és nagy nyomásra van szükség, persze mélyen a felszín alatt. Ennek a legalapvetőbb módja, hogy egy szénnel rendelkező molekula, például a széndioxid (CO2) reakcióba lép a hidrogéngázzal, amiből metán (CH4) keletkezik. A metán közvetlenül juthat a légkörbe a vulkánok vagy a törésvonalak hasadékain, de az is egy eshetőség, hogy átmenetileg megreked a jeges üledékekben, majd amikor a bolygó egy melegebb periódusába lép, a jég olvadásával kiszökik az atmoszférába.

A másik fő alternatíva a marsi metanogének termelése, ami szintén a fent említett alkotóelemeket használja, azonban az előállításhoz enzimeket alkalmaz. Ez a változat jóval alacsonyabb hőmérsékleten és a talajszinthez közelebbi magasságokban is működik, érvel Onstott. A biológiai metántermelés jelenleg is folyhat, de az sem kizárt, hogy már rég befejeződött és csupán a jégbezárt "tárolók" kibocsátását látjuk.

Jó hír, hogy létezik egy módszer a Mars metánjának beazonosítására, anélkül, hogy átfésülnék a talajt az élet jelei után kutatva. Az eljárás azon a tényen alapul, hogy nem minden metán karakterisztikái a létrejöttük módjától függően váltakoznak. A metán építőelemei, a szén és a hidrogén különböző formákban léteznek, ezeket nevezik izotópoknak, melyek eltérnek tömegükben. A geokémia nem válogatós, azt az izotópot használja a metán előállításához, ami éppen az útjába kerül. Az élet azonban jobban kedveli a könnyű izotópokat. A metanogének a nehéz deutérium izotóp helyett egyszerű hidrogént és szén-13 helyett szén-12-t fognak választani, az enzimek ugyanis ezekkel könnyebben birkóznak meg.

A fentiek mérésére két általános módszer létezik, az egyikhez egy tömeg spektrométerre van szükség, ami elektromos és mágneses mezők alkalmazásával különíti el a különböző izotópokat. Ez laboratóriumban kiválóan működik, a marsi metán észleléséhez kellőképpen érzékeny műszer azonban túl nagy lenne egy marsjáró számára. Marad a másik alternatíva, az optikai spektrométer, ami a gáz fényelnyelési frekvenciáit méri. Ezek az úgy nevezett rezonáns frekvenciák attól függnek, hogy milyen izotópok alkotják a gáz molekuláit.

A 2011-ben induló Mars Science Laboratory (MSL) fel lesz szerelve egy optikai spektrométerrel, ami képes lehet a Mars metánjában található szén izotóp arányának mérésére, Onstott azonban úgy véli a TSL (Hangolható Lézer Spektrométer) sem lesz alkalmas az eredet egyértelmű meghatározására. Ezért is kezdtek bele egy különleges spektrométer, az Üregrezonátoros Lecsengési Spektrométer (CRDS) fejlesztésébe, ami ezerszer érzékenyebb lesz a TSL-nél, azonban kénytelen lesz megvárni a következő expedíciót, amire 2014-nél hamarabb aligha kerülhet sor.

A CRDS egy légköri mintát fog megvilágítani egy lézerrel, aminek a frekvenciája behangolható úgy, hogy adott izotópos tagoltsággal rendelkező metán molekulákkal rezonáljon. Az üreg falai részben tükröződnek, ezért a fény nem könnyen szabadul. Amint a lézert kikapcsolják, a fény jónéhány mikroszekundumig folytatja előre-hátra pattogását, mielőtt végleg megszűnik, vagyis "lecseng". A lecsengéshez szükséges időből a CRDS meg tudja állapítani a marsi metán különböző izotóp arányait. Mivel a fény több ezerszer áthalad a gázon, a CRDS sokkal jobb az alacsony koncentrációk mérésében, mint a hagyományos optikai spektrométerek, magyarázta Onstott.

Bár a CDRS még koránt sem tekinthető kiforrottnak, a Princeton csapata által megépített tesztváltozat súlyát tekintve mindössze ötöde egy átlagos tömeg spektrométernek, jelenleg bő 30 kilogrammot nyom. A cél a műszer lekicsinyítése és az űrexpedíciók számára alkalmassá tétele, különös tekintettel a Mars porára és a bolygón uralkodó alacsonyabb nyomásra.