《自然.天文》探寻生命痕迹的线索—火星大气中的同位素奥秘

原创 Matt William 同位素地球化学 2023-08-14 12:21 发表于：北京

      火星，这颗被誉为“红色星球”的行星，自古以来一直吸引着科学家和太空爱好者的兴趣。它与地球的相似性以及其表面可能存在的过去甚至现在的生命引发了许多机器人探测任务，以揭示其背后的奥秘。其中一项重要任务，ExoMars Trace Gas Orbiter（火星痕迹气体轨道飞行器），最近为我们提供了有关火星大气成分和表面有机物来源的重要见解。

• 多方机器人探测揭示火星之谜
  

    此刻，有11项机器人探测任务正在火星上展开探索，包括轨道器、着陆器、探测车以及一架空中飞行器（“毅力号”火星车）。与它们的前辈一样，这些任务致力于研究火星的大气、表面和地下，以了解其过去和进化，包括其从一个曾经温暖潮湿的环境演变为如今寒冷、尘土飞扬且极度干燥的星球的过程。此外，这些任务还在寻找火星上过去可能存在的生命迹象，甚至是是否仍然存在生命的线索。

• 洞悉火星气体成分奥秘
  

     其中一个特别引人注目的问题是火星的大气，主要由二氧化碳（CO₂）组成，而且相对富含碳-13（¹³C），即“重碳”的同位素。多年来，科学家们一直推测这种同位素的比例与表面的有机物可能有关（这是生物过程的迹象！）。但在分析欧洲航天局（ESA）的ExoMars Trace Gas Orbiter（TGO）任务的数据后，由英国开放大学（The Open University）领导的国际团队确定这些有机物可能是“非生物起源”的（即非生物性质）。   该研究由英国开放大学的博士后研究员胡安·阿尔代（Juan Alday）领导，并由其大气研究与表面勘探小组的成员参与。他们还得到了俄罗斯航天研究所（IKI）、法国巴黎综合理工大学的大气、介质和空间观测实验室（LATMOS）以及英国牛津大学大气、海洋和行星物理学小组（AOPP）的支持。他们的研究成果发表在题为“火星大气中重碳氧同位素的光化学消耗”（"Photochemical depletion of heavy CO isotopes in the Martian atmosphere"）的论文中，该论文最近刊登在《自然天文》（Nature Astronomy）杂志上。

图1.美国航空航天局（NASA）火星探测器“毅力号”已成功降落在火星表面并拍摄回传首批火星图像，成为NASA第5个成功登陆的火星车（图片来源：NASA)

• 同位素地球化学手段探测火星大气
  

   对于火星大气中的气体，二氧化碳约占96%，而一氧化碳的含量很少（0.0557%）。这些气体中重碳同位素的相对丰度（在地球大气中仅占碳同位素的1.1%）被归因于“轻碳”（¹²C）在几十亿年内优先逃逸至太空。这部分基于美国国家航空航天局（NASA）的“好奇号”探测车最近的测量数据，揭示了表面有机物（甲烷气体）中¹³C的消耗。

   通过分析这种同位素富集，科学家希望更深入了解上层和下层大气之间“同位素比率”演变的大气过程。由于大气中的一氧化碳（CO）和有机分子共享相同的¹³C贫化同位素标记，科学家希望从中找到有关有机过程（可能是生命迹象的指示）是否发挥了作用的线索。为了开展研究，阿尔代博士领导的团队检查了TGO大气化学套件（ACS）获取的CO垂直剖面数据。

   该套件由三个红外Echelle光谱仪组成，涵盖近红外（NIR）、中红外（MIR）和远红外（TIRVIM）信道。自2016年以来，这些仪器已从火星大气中收集光谱数据，利用吸收线来指示不同化学元素的存在，以确定其组成。然后，团队将这些数据与光化学模型相结合，该模型预测由于与太阳辐射的相互作用，大气中CO分子中的碳和氧的消耗情况。他们的研究结果表明（与之前的想法相反），火星大气中的一氧化碳（CO）中的重碳丰度较低，而轻碳则丰富。正如阿尔代博士在英国开放大学新闻发布会上解释的那样：“理解为什么CO中的¹³C较少的关键在于CO₂和CO之间的化学关系。当太阳光将CO₂分子分解成CO时，¹²CO₂分子比¹³CO2分子更有效地被破坏，导致¹³C在CO中的消耗长期存在。”

   图2. 火星大气中有95%是二氧化碳（CO2），只有0.14%的氧气（O2）含量（图片来源：NASA)

      这些发现有助于解决关于火星表面有机物是由生物过程还是非生物过程形成的长期争议。尽管火星大气中一氧化碳的含量微乎其微，但它们对于我们理解火星大气和气候如何随时间演变具有重要意义。一方面，它们可以揭示过去曾有流动和静止水体存在的条件。另一方面，尽管这些发现可能让人感到失望，但它们有助于进一步寻找火星上的过去生命。阿尔代博士表示，最终目标是确定是否在星球上存在适于生命的条件，以及它们是否持续时间足够长，以便生命出现：“我们不知道早期火星的大气是什么样子，也不知道什么条件允许液态水在表面流动。火星大气中的碳同位素可以帮助我们估计过去大气中CO₂的含量。ExoMars TGO的新测量结果表明，逃逸至太空的CO₂比之前的估计要少，从而为火星早期大气的组成提供了新的限制。”

     这项研究得以实现，得益于英国航天局的支持，该机构为ACS光谱仪和大气研究与表面勘探小组的研究提供了资金。TGO是更大的ExoMars计划的一部分，该计划是欧洲航天局（ESA）与俄罗斯航天局罗斯科斯莫斯（Roscosmos）之间的合作项目。该计划将在未来几年内将“罗莎琳德·富兰克林”探测车送往火星，进一步协助持续寻找过去（甚至可能是现在）火星上的生命。

原文：Alday, J., Trokhimovskiy, A., Patel, M. R., Fedorova, A. A., Lefèvre, F., Montmessin, F., ... Shakun, A. (2023). Photochemical depletion of heavy CO isotopes in the Martian atmosphere. Nature Astronomy, 7, 867-876. 链接：https://www.nature.com/articles/s41550-023-01974-2

 文章根据以下内容翻译整理：

   ExoMars Trace Gas Orbiter analyses the martian atmosphere. Credit: ESA/ATG medialab，POSTED ON MAY 17, 2023 BY MATT WILLIAMS。https://www.universetoday.com/161402/life-probably-didnt-have-a-hand-in-creating-organic-deposits-on-the-surface-of-mars/ 。