Így alakította át a Marsról alkotott képünket a NASA bravúros marsjárója, a Curiosity

A Curiosity marsjáró sikeres landolása 2012. augusztus 6-án az amerikai űrügynökség, a NASA történetének egyik legnagyobb bravúrja volt. A radikálisan új leszállási rendszert használó, majdnem 1 tonnás szonda máig a legkomplexebb leszállóegység, amelyet az emberiség valaha másik bolygóra juttatott. Mindezt azért, hogy csúcstechnológiás laboratóriumai segítségével a szonda kiderítse, lakható volt-e egykor a mikrobiális élet számára a Mars, vagy legalábbis a leszállóhelyül választott Gale-kráter. Az egyik korábbi generációs marsjáró, az Opportunity több mint 14 éves küldetésének összefoglalójára építve, annak lényegében második részeként ebben a cikkben a Curiosity eredményeiről lesz részletesen szó.

Az eddig 7 évet felölelő vizsgálatai során a Curiosity megállapította, hogy az élethez szükséges kémiai elemek rendelkezésre álltak a felszínen, és közel 3.5 milliárd évvel ezelőtt egy relatíve hosszan tartó, mérsékelt tavi környezet létezhetett a kráteren belül, abba torkolló folyókkal. Emellett egyszerű szerves molekulákat talált kőzetmintákban, és feltárta a kráter közepén elhelyezkedő 5,5 kilométer magas hegy, a Mt. Sharp (Aeolis Mons) kialakulásának lehetséges történetét is. A légkör vizsgálata során metánt mutatott ki, amely azóta még tovább mélyülő vitákhoz vezetett, karbonátokat viszont nem talált kőzetekben, fokozva az ősi mars klimatikus viszonyai körüli rejtélyt. A Curiosity volt az első marsjáró, amely fúrója segítségével mintát vett kőzetekből, és azokat komplex laboratóriumaiban analizálta, egyúttal megkísérelte meghatározni a vizsgált kőzetek korát.

A képen a Curiosity robotkari kamerája által 2018 elején készített szelfi látható.Fotó: NASA/JPL-Caltech/MSSS

A nukleáris áramforrással (RTG) működő Curiosityt a korábbi marsjárókkal ellentétben nem veszélyeztetik porviharok, és sokkal energiaigényesebb méréseket is képes végezni. De a küldetést megnehezítette a marsjáró komplexitása, kerekeinek túl gyors sérülése és mintavevő rendszerének problémái - köztük legsúlyosabban a fúrórendszer 2016 végi elromlása. A NASA nem mindig volt elégedett a küldetés tudományos fókuszával és menedzselésével, egyes kutatók pedig erőteljesen kritizálták a kőzetminták speciálisabb, nedves kémiai módszerekkel történő vizsgálatainak halogatását. Szerencsére a fúrót tavaly sikerült újra beüzemelni, a mintavételek folytatódtak, és a marsjáró máig szinte tökéletesen működik. Az elmúlt 5 évben a Curiosity egyre feljebb haladt a Mt. Sharp alsóbb részein, és idén áprilisban végre elérte az első agyagos kőzetrétegeket, amelyek tanulmányozása a küldetés egyik fő célkitűzése volt.

Tudományos felfedezései mellett a NASA JPL (Jet Propulsion Laboratory) kutatóintézete által tervezett és működtetett Curiosity nagy felbontású, lenyűgöző képeivel és a robotkarján lévő kamerával készített selfie-jeivel popkulturális ikon lett.

A Curiosity műszerparkja

A Curiosity felfedezéseinek megértéséhez meg kell néznünk, hogy milyen műszerekkel rendelkezik és azok hogyan végzik munkájukat. A JPL a 2004-ben landolt MER (Mars Exploration Rover) marsjárókból származó tapasztalatokat felhasználva látott neki a jóval nagyobb és komplexebb Curiosity megalkotásának. A közel autó méretű, 899 kilogrammos Curiosity lényegében a mintavevő rendszere és két fejlett kémiai laboratóriuma, a SAM és a CheMin köré épült.

A Curiosity műszerei.Illusztráció: NASA/JPL-Caltech

A SAM (Sample Analysis at Mars), vagy marsi mintaelemzés egy három műszerből álló kémiai laboratórium a Curiosity belsejében. Feladata a marsi kőzetminták felhevítésekor keletkező gázok, valamint a marsi légkör kémiai és izotópos összetételének megállapítása, és ezzel szerves molekulák keresése. Mindezt egy gázkromatográf (szétválasztja a gázmolekulákat tömegük alapján), egy tömegspektrométer (a gázokat molekuláris tömegük és ionos állapotuk töltése alapján rendezi, és ebből a molekulákra jellemző spektrumot generál) és egy lézer spektrométer (a fény különböző hullámhosszakon való elnyelődése segítségével állapítja meg a metán, szén-dioxid és vízpára koncentrációját) teszi lehetővé. A kőzet vagy talajmintákat a Curiosity robotkarja juttatja a SAM bevezető nyílásába, a légköri mintákat pedig egy speciális beömlőnyíláson keresztül gyűjti a berendezés. A SAM egy 74 kapszulát tartalmazó „kerékkel” rendelkezik, amelyekbe a begyűjtött minták kerülnek. 59 ezek közül magas hőmérsékletre (1000 Celsius-fokra) felhevíthető kapszula, amelyek újrahasználhatók. További 9 darab csak egyszer használható, a nedves kémiai, poláris szerves molekulákat kereső kísérletekhez használt kémiai oldószereket, az utolsó 6 pedig kalibrációra használt anyagokat tartalmaz.

A CheMin (Chemistry & Mineralogy) a SAM mellett a Curiosity másik nagy laboratóriuma, amely a kőzet- és talajminták ásványi összetételét hivatott meghatározni egy röntgen-diffrakciós berendezés segítségével, amely alkalmas röntgen-fluoreszcens vizsgálatokra is. Ez olyan spektrumot generál, amiből megállapítható a por állagú mintában lévő ásványok elemi összetétele. A CheMin 26 újrahasználható kapszulával, amelyekben a marsi minták tanulmányozhatók, valamint 5 referenciamintával rendelkezik. A CheMin az ásványi összetétel megállapításával segít feltárni a folyékony víznek a kőzetek keletkezésében és formálásban játszott szerepét, valamint az élethez szükséges környezet ásványi indikátorait.

A fúró és mintavevő rendszer a Curiosity robotkarján helyezkedik el. Ütvefúró mechanizmus segítségével 5 centiméter mély furatot képes készíteni, és a fúrás során összegyűlt mintát a mintatovábbító rendszerbe helyezi. Talajmintákat egy kis lapát segítségével gyűjt a marsjáró, amely szintén a robotkar mintatovábbító rendszerébe kerül. A mintákat a szonda a robotkarról szórja egy tetszőleges területre, vagy a SAM és CheMin laboratóriumok nyílásaiba. A robotkaron található még a MAHLI robotkar/mikroszkópos kamera, az ehhez társuló éjszakai vizsgálatokat lehetővé tévő normál és UV LED-ek és az APXS (alfa-proton röntgen-spektrométer), a kőzetek összetételének meghatározására szolgáló detektor is.

A mintavételi célpontok kiválasztásában és vizsgálatában a Curiosity árbócának tetején lévő, ChemCam lézeres spektrométer van az irányítók segítségére. A lélegzetelállító panorámaképeket a szintén az „árbóc” tetején található MastCam színes panoráma kamerák készítik, melyek közül az egyik egy nagylátószögű, a másik telefotó objektívvel rendelkezik. Az árbócon helyezkedik el a REMS időjárási szenzorcsomag, hőmérsékleti, légnyomás- és szélsebesség-szenzorokkal. A marsjáró alján lévő MARDI kamera készítette a videót a landolásról , de alkalmas a szonda alatti talaj lefényképezésére is. A RAD sugárzási detektor célja a sugárzási környezet és változásának vizsgálata volt a Marshoz vezető úton és a felszínen, ami kritikus információ az emberes mars-utazások számára. A DAN neutrondetektor a felszín alatti hidrogéneloszlást érzékeli.

A kommunikáció a Mars körüli amerikai (Mars Odyssey, MRO, MAVEN) és európai keringőegységek (Mars Express, TGO) segítségével zajlik, UHF rádión keresztül, de a Curiosity nagy erősségű antennáján keresztül közvetlenül is tud kommunikálni  a Földdel. Az áramellátásért akkumulátorok és az azokat folyamatosan töltő nukleáris áramforrás (RTG, rádióizotópos termoelektromos generátor) felelnek – az utóbbi plutónium bomlásából származó hőt alakít elektromos energiává. A Curiosity tervezéséről, felépítéséről és műszereiről mélyebb áttekintést nyújt Emily Lakdawalla, a Planetary Society munkatársának kiváló könyve.

A leszállóhely

A legfontosabb kérdés ez után az volt, hogy hol landoljon a Curiosity. Ennek meghatározására a NASA 2006-tól leszállóhely-értekezleteket szervezett, ahol a bolygókutatók a kezdeti 33 opciót 2011-re 4 lehetőségre szűkítették, azok tudományos érdekessége és a technikai korlátok figyelembe vételével. Az ősi folyódeltát tartalmazó Eberswalde-kráter, az egykor egy tónak otthont adó Holden-kráter és a Mawrth Vallis áradások révén létrejött folyóvölgy állt versenyben a Gale-kráterrel.

A Gale-kráter a Curiosity leszállási ellipszisével.Fotó: NASA/JPL-Caltech/ASU/UA

Végül a 154 kilométer átmérőjű, Gale-kráterre esett a szakemberek választása. A 3,5-3,8 milliárd éve keletkezett kráter keringőegységek általi vizsgálata a víz felszínformáló nyomait és víz jelenlétében keletkezett agyagot és szulfátásványokat mutatott ki. Talán még fontosabb szempont volt, hogy a kráter közepén lévő, 5,5 kilométer magas Mt. Sharp üledékrétegeinek vizsgálatával a kutatók példátlan betekintést nyerhetnek a marsi múltba.

A Curiosityhez közel egytonnás tömegéből és a leszállási ellipszis precizitásából adódóan egy teljesen új, radikális landolási megoldást kellett kifejleszteni. A Sky Crane (légi daru) rendszer megalkotása Adam Steltzner és kollégái nevéhez fűződik. A JPL virális videója mindennél jobban érzékelteti a feladat kihívásait és a leszállási rendszer működését:

Ősi folyó-és-tómeder

2012. augusztus 6-án, 7 perccel a marsi légkörbe lépés után, magyar idő szerint 6:17-kor a Curiosity épségben megérkezett a felszínre. A landolási rendszer a vártnál is jobban működött, a leszállási ellipszis középpontjától 2,4 kilométerre helyezve a szondát, a rendelkezésre álló hajtóanyag kevesebb mint háromnegyedének felhasználásával. Az ereszkedési folyamatot a marsjáró alján elhelyezett MARDI kamera rögzítette:

A leszállást követő hetek szoftverfrissítéssel, az új környezet feltérképezésével, valamint a marsjáró rendszereinek és műszereinek tesztelésével teltek. Ezután a Curiosity elindult első tudományos célpontjához, a leszállóhelytől 400 méterre lévő Glenelghez, útközben több kőzetet megvizsgálva az APXS spektrométerrel, a ChemCam-el és a MAHLI kamerával. A Hottah és a Link kőzetkibukkanásoknál egy ősi patakmederre bukkant, és egyértelműen folyékony víz által létrejött kavicskő kőzeteket azonosított. A vizsgálati terület a Peace Vallis folyóvölgy deltájában helyezkedett el.

Víz által formált kavicsokat tartalmazó kőzetek a Curiosity 2012 szeptemberi felvételénFotó: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Az első hosszabb megállóra a Rocknest homokfoltnál került sor, ahol a Curiosity a robotkaron lévő lapátjával mintát vett a homokból, amit aztán a CheMin és a SAM laboratóriumok analizáltak. A marsjáró a Glenelg terület felé haladás mellett lényegében ezzel töltötte 2012 végét.

2013 februárjában végre sor került az első fúrásra, a Yellowknife Baynek elnevezett területen, ahol a SAM és a CheMin vizsgálatai rögtön élet számára kedvező egykori környezet nyomait azonosították. Márciusban kőzetmintákban hidratált ásványokat talált a Curiosity, ami a bazaltos kőzetek víz jelenlétében történő módosulására utal. Ekkor tették közzé a DAN műszer felszín alatti vizsgálatainak eredményét, amelyek 4 százalékos víztartalmat mutattak ki a Glenelg terület alatti kőzetekben. Áprilisban az argon és szénatomok izotóparányainak vizsgálatait végző légköri mérések arra jutottak, hogy a Mars az elmúlt néhány milliárd évben elveszítette légkörének jelentős részét; metánt ekkor még nem észleltek. Ezeket az eredményeket 2013. júliusában közölték a kutatók a Science-ben megjelent tanulmányukban

A Yellowknife-Bay formáció a Curiosity 2012. decemberi felvételén.Fotó: NASA/JPL-Caltech/MSSS

A Rocknest területén tett megfigyeléseket 2013 szeptemberében közölték a Science-ben, a SAM laboratórium, a CheMin ásványtani vizsgálat, a ChemCam kamera és a MAHLI kamera mikroszkopikus vizsgálatainak eredményeivel. Ezekben 1,5-3 százalékos víztartalmat, valamint perklorátokat talált a SAM - utóbbi egy erős oxidálószer, amely megnehezítheti a marsi élet keresését, illetve mostoha környezetet biztosított volna az egykori marsi mikroorganizmusok számára. Perklorátokat korábban a NASA Phoenix leszállóegysége talált az északi pólushoz közeli Vastitas Borealis régió talajában.

A Yellowknife Bay területről szerzett kőzetmintákban a SAM valószínűleg szerves anyagokból származó szenet azonosított, valamint a hélium-, neon- és argonizotóp arányainak mérésével elvégezte az első in situ kormeghatározást a Marson. A Yellowknife Bayből származó minták alapján az egykori vizes környezet semleges pH-jú, gyengén sós volt, élőlények által felhasználható vassal és kénnel, valamint olyan alapvető fontosságú biogén atomokkal, mint a szén, a hidrogén, az oxigén, a nitrogén, a kén és a foszfor. A RAD landolás óta végzett megfigyelései során 76 mGy/év sugárzási dózist mért a felszínen, ami valamelyest megnövekedett kockázatot jelentene az  asztronautáknak egy emberes Mars-utazás során, legalábbis a Föld körüli pályán végzett munkához képest. A kutatók azt is kiszámították, hogy nagyjából 1 méter talaj elegendő ahhoz, hogy az ellenálló mikroorganizmusokat megvédje a kozmikus sugárzástól, 3 méter pedig a sugárzás nagy részét blokkolja. Ez  nagyon jó érv lehet amellett, hogy barlangrendszerekben kutassanak az élet nyomai után, és azokat használják az emberes küldetésekhez.

Tavi üledékes rétegeket tartalmazó szikla a Curiosity 2014. augusztusi felvételén.Fotó: NASA/JPL-Caltech/MSSS

2014 elején a szakemberek észrevették, hogy az éles kövekkel és kőzetkibukkanásokkal tarkított marsi talajon a vártnál sokkal gyorsabban károsodnak a Curiosity alumíniumból készült kerekei. A küldetést potenciálisan veszélyeztető fejleményre sokkal óvatosabb útvonaltervezéssel, konstans monitorozással és új haladási stratégiákkal reagáltak az irányítók, és ezek az intézkedések jórészt csökkentették a további károsodások mértékét. Szeptemberben a Curiosity végre megérkezett a Mt. Sharp lábához, amely a küldetés fő tudományos célpontját jelentette. Ehhez a leszállóhelytől kis kitérőkkel 6,9 kilométert kellett megtennie. 2014 decemberében a kutatók bejelentették, hogy 2013 végétől 2014 elejéig több alkalommal érzékeltek 6-10 ppbv (egy részecske per milliárd térfogatra mérve) mennyiségű metánkoncentrációkat a SAM által vizsgált légköri mintákban.

A Mt. Sharp megmászása

2015 márciusban a SAM még a Rocknestről és a Yellowknife Bayről származó talaj- és kőzetminták hevítéssel történő vizsgálata során nitrogén-monoxidot mutatott ki, ami egyértelmű jele annak, hogy az egykori környezetben jelen volt biológiailag hasznos nitrogén. A SAM március végén közzétett légköri mérései, az argon és a xenon izotópjainak vizsgálatával megerősítették a korábbi eredményeket, miszerint a Mars elvesztette légkörének nagy részét. A mérések egyeznek a Földön talált marsi meteoritokból származó gázokban megfigyelt izotóparányokkal.

2015. április 15-én a Curiosity megörökített egy marsi naplementét, amely egy négy képből álló gif-en itt megtekinthető. A légkörben lévő por miatt a kék hullámhosszú fény jobban el tudja érni a felszínt, és ez különösen napfelkelte és naplemente során szembetűnő, amikor a Napból érkező fénynek hosszabb utat kell megtennie a marsi légkörön keresztül.

Naplemente a Marson, a Curiosity felvételén.Fotó: NASA/JPL-Caltech/MSSS/Texas A&M Univ

2015 augusztusában a DAN műszer különösen nagy, 10 százaléknyi hidrogénkoncentrációt érzékelt a Marias Pass területen, 1 méterrel a felszín alatt, ami víz- vagy hidroxilmolekulákat tartalmazó ásványok vagy nedvességet megkötő ásványok jelenlétére utalhat. Októberben a NASA a Curiosity addigi eredményei alapján egy Science-ben közölt tanulmányban bejelentette, hogy 3,8-3,3 milliárd évvel ezelőtt tavak és folyók voltak jelen a Gale-kráterben. A krátert kitöltő tó egykori léte a Mt. Sharp alsó üledékes rétegeinek vizsgálatával vált egyértelművé . A hegyen feljebb haladva a szakemberek a kőzetek szilikáttartalmának növekedését tapasztalták, ami arra utal, hogy azok vélhetően folyékony víz jelenlétében keletkeztek.

Az összes fúrással végrehajtott mintavétel és azok helyszíne 2016 szeptemberéigIllusztráció: NASA/JPL

2016-ban a Curiosity egy kémiailag aktív ősi környezetre talált bizonyítékokat a Mt. Sharp rétegeiben. A megfigyelt, hematit ásványban gazdag kőzetek viszonylag meleg klímájú, nedves környezetre utalnak – korábban ilyeneket talált az Opportunity marsjáró is a bolygó másik oldalán. A hematit mellett első alkalommal sikerült bór jelenlétét kimutatni, amely az élethez szükséges molekulák keletkezésében játszhatott szerepet. Ezt az eredményt 2017 szeptemberében publikálták a Geophysical Research Letters folyóiratban.

2017-et egy sárrepedésekhez hasonló struktúrákat mutató kő vizsgálatával kezdte a Curiosity. A küldetés talán egyik legrejtélyesebb eredménye csak ez után következett, és a karbonátokhoz, pontosabban azok hiányához kötődik. 2017 februárjában közölték a kutatók, hogy kőzetminták vizsgálata során nem találtak karbonátokat, ami elméletileg arra utalna, hogy a kőzetek keletkezésekor kevés szén-dioxid lehetett a légkörben. Ez azonban egy klímaparadoxont vet fel, hiszen a Mars vastag szén-dioxid-légkör nélkül 3,6-4 milliárd évvel ezelőtt nem lett volna elég meleg a folyékony víz felszíni fenntartásához, főleg egy halványabb Nap mellett.

2017 májusában újabb magas szilikátkoncentrációjú kőzetek tanulmányozásából a talajvíznek a krátertó kiszáradása után is hosszan tartó jelenlétére következtettek a kutatók. Az ősi krátertó rétegeinek vizsgálatából arra jutottak, hogy az hosszan tartó, stabil, mélységtől függően változó kémiai környezetet biztosított. Mint ahogy a Science-ben megjelent tanulmányukban a kutatók rávilágítottak, a tó sekélyebb részei oxidálószerekben gazdagabbak, a mélyebbek pedig szegényebbek voltak,  potenciálisan kedvező környezetet kínálva különböző mikroorganizmusoknak.

2018 nyarát a Curiosity tudományos munkája mellett az Opportunity elvesztéséhez vezető marsi globális porvihar megfigyelésével töltötte. A mérnököknek június elejére sikerült helyreállítaniuk a 2016 decembere óta problémával küzdő fúró működését.

A bal oldali felvétel a porvihar előtt, a jobb oldali annak csúcspontjakor, 2018 júniusának végén készült.Fotó: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Néhány nappal később a Science-ben megjelent két tanulmánnyal a NASA a metán légköri koncentrációjának évszakos változását mutató megfigyeléseket és kőzetmintákban talált szerves anyagokat jelentett be. Az első közlemény ez utóbbival foglalkozik. A SAM laboratórium az üledékes kőzetekből származó minták 500 fokra hevítésével tiofén heterociklikus és egyéb aromás szerves molekulákat, valamint propánt és butánt mutatott ki. A molekulák a szakemberek szerint a Curiosity laborjában kerogén lebomlásából keletkezhettek, de eredeti forrásuk, illetve az, hogy szerepet játszhattak-e bármilyen biológiai aktivitásban, nem ismert.

A Gale kráterfala a Curiosity 2017 végi felvételén.Fotó: NASA/JPL-Caltech/MSSS

A második tanulmány a SAM laboratórium által hat év alatt érzékelt metánkoncentráció ingadozásról számol be; ebben a kutatók egyértelmű évszakos mintázatot azonosítottak. A metán valószínűleg geokémiai forrásból származik, és jelenléte (vagy hiánya) a Mars-kutatás egyik legvitatottabb területe. Egy harmadik, a Science Advances folyóiratban megjelent cikk a Murray formációból származó agyagásványok CheMin és SAM által végzett analízisével foglalkozik.

A 2018. januárjában készített kép közepén a Mt. Sharp (Aeolis Mons) agyagos kőzetrétegei találhatók, melyeket jelenleg vizsgál a marsjáró.Fotó: NASA/JPL-Caltech/MSSS

A Curiosity 2018 novemberében ismertetett vizsgálataiban nagy árhullámok nyomait találták meg a kutatók, amelyek kiváltó okai értelmezésük szerint gleccserek olvadékvizéből származó hirtelen áradások voltak. Ezek a megfigyelések egy hidegebb, jegesebb ősi Marsról árulkodnak.

2019 februárjában a Science-ben publikálták a Curiosity gravitációs méréseinek eredményeit, amelyek 1680 (+- 180) kg/m3-ben határozták meg a Mt. Sharp sűrűségét. A viszonylag porózus, 5,5 kilométer magas hegy valószínűleg üledékes és szél általi eróziós folyamatok során keletkezett.

Egy 2019. áprilisában végzett fúrás eredménye a Curiosity felvételein.Gif: NASA/JPL-Caltech/MSSS

A marsjáró 2019. áprilisban megfigyelte a Mars két holdja, a Phobos és a Deimos Nap előtti elhaladását, illetve elkezdte a Mt. Sharp agyagos rétegeinek vizsgálatát, ami a küldetés egyik kezdeti célja volt. A Curiosity jelenleg a Kilmarie fúrólyukból vett mintákat vizsgálja a SAM laboratóriuma segítségével.

A következő években a Curiosity, már ameddig az technikailag lehetséges, a Gale-kráterben magasodó Mt. Sharp egyre feljebb lévő rétegeit fogja tanulmányozni, hogy jobban megérthessük a Mars ősi viszonyait, és esetleg kőzetekbe zárt szerves anyagokra bukkanjunk. Egyes kérdésekre, mint például a Mars ősi klímájára vonatkozóan már valószínűleg csak a Mars 2020 marsjáróhoz hasonló újabb küldetések adhatnak majd pontosabb válaszokat.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten:

Magyar kutatók titkos élete: nappal tudós, este bűvész

Kevesen gondolnák, hogy a magyar tudományos élet prominens képviselői szabadidejüket bűvésztrükkök gyakorlásával és előadásával töltik. Összeegyeztethető a megtévesztésen alapuló varázslás a tényeket szentként tisztelő tudománnyal? Gáspár Merse Előd fizikus és bűvész négy elismert magyar kutatóval beszélgetett a nagy trükkről.