Άρθρο του Δρ. Παναγιώτη Σιδηρόπουλου.
O Δρ Παναγιώτης Σιδηρόπουλος γεννήθηκε στην Πτολεμαΐδα το 1978. Έχει 2 πτυχία, ηλεκτρολόγου μηχανικού & μηχανικού υπολογιστών καθώς και μαθηματικού, και ένα μεταπτυχιακό στην πληροφορική (όλα από το Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης) και διδακτορικό στην μηχανική μάθηση από το Centre of Vision, Speech and Signal Processing (CVSSP) του Πανεπιστημίου του Surrey. Μετά από 7 χρόνια παρουσίας στο Ινστιτούτο Τεχνολογιών Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών (ΙΠΤΗΛ) του Εθνικού Κέντρου Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (ΕΚΕΤΑ), τα τελευταία 2 χρόνια εργάζεται στο Mullard Space Science Laboratory (MSSL) του UCL. Επιπλέον, είναι μέλος επιτροπών της ESA σχετικών με τις αποστολές Mars Express και ExoMars, και ο μοναδικός Έλληνας στο Landing Site Selection Working Group (LSSWG) της ESA, την ομάδα που θα αποφασίσει το σημείο που θα προσεδαφιστεί το όχημα της αποστολής ExoMars to 2019.
Μετά από ταξίδι 10 μηνών, στα ξημερώματα στις 22 Σεπτεμβρίου η μη επανδρωμένη αποστολή MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN) ξεκίνησε την μανούβρα που θα βάλει τον δορυφόρο σε ελλειπτική τροχιά γύρω από τον Άρη, επιτρέποντας του για τους επόμενους 12 μήνες να κινείται με ταχύτητα που θα επιτρέπει 5 περιφορές την μέρα γύρω από τον πλανήτη. Το κύριο μέλημα αυτής της αποστολής είναι τόσο η ανάλυση της σημερινής αρειανής ατμόσφαιρας, όσο και η μελέτη της σύστασης και πυκνότητας της στο πρώτο 1 δισεκατομμύριο χρόνια από την στιγμή του σχηματισμού του, εποχή που πιστεύουμε πως οι συνθήκες στην επιφάνεια του ήταν τέτοιες που πιθανόν να επέτρεπαν την δημιουργία ζωής.
Σε αντίθεση με την κυκλική τροχιά, που διατηρεί συνεχώς την ίδια απόσταση από την επιφάνεια και έτσι προσφέρει «σταθερότητα» στην σάρωση της, η ελλειπτική τροχιά του MAVEN θα του επιτρέπει να μεταβάλλει την απόσταση του από τον Άρη, από 150 χιλιόμετρα στην περίαψη (όπως λέγεται το κοντινότερο σημείο μιας ελλειπτικής τροχιάς) ως 6 χιλιάδες χιλιόμετρα στην απόαψη (το πιο μακρινό σημείο μιας ελλειπτικής τροχιάς).
Το διάστημα που θα βρίσκεται κοντά στην απόαψη, το MAVEN θα μπορεί να συλλέγει πληροφορίες σχετικά με την συνολική εικόνα του πλανήτη, κυρίως μέσω ενός φασματογράφου υπεριώδους απεικόνισης. Στην συνέχεια, θα «κάνει βουτιά», συλλέγοντας πληροφορίες από την εξώσφαιρα, την ιονόσφαιρα και φτάνοντας ως τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας του Άρη. Επιπλέον, στο διάστημα αυτών των 12 μηνών είναι προγραμματισμένες 5 «βαθιές βουτιές» (deep-dip campaigns) που θα φτάνουν μέχρι τα 125 χιλιόμετρα από την επιφάνεια, δηλαδή στα μέσα στρώματα της αρειανής ατμόσφαιρας, όπου θα μπορεί να συλλέξει απευθείας δείγματα της.
Πρέπει να τονιστεί πως η MAVEN είναι η πρώτη αποστολή που είναι από την αρχή σχεδιασμένη να αγνοήσει πλήρως το τι συμβαίνει στο έδαφος του πλανήτη και να ασχοληθεί μόνο με την «γειτονιά του». Για αυτό και δεν φέρει κανένα όργανο τηλεπισκόπησης που να είναι χρήσιμο στην παρακολούθηση του εδάφους (κάμερες, υπέρυθρες κάμερες, κλπ). Αντίθετα, το φορτίο του χωρίζεται σε 3 κατηγορίες οργάνων.
Η πρώτη επικεντρώνει στην ανάλυση της αλληλεπίδρασης της ατμόσφαιρας του Άρη με την ηλιακή ακτινοβολία, κυρίως σε σχέση με τον ηλιακό άνεμο και τις ηλιακές καταιγίδες, η δεύτερη ασχολείται με τα ιόντα και την μελέτη της ιονόσφαιρας ενώ η τελευταία με την σύσταση της ατμόσφαιρας, επικεντρώνοντας στις αναλογίες των ισοτόπων που θα μας επιτρέψουν να ρίξουμε μια ματιά στην αρειανή προϊστορία και στις συνθήκες που επικρατούσαν μέχρι πριν από 4.5 δισεκατομμύρια χρόνια.
Οι αναλογίες ισοτόπων και η χαμένη ατμόσφαιρα
H μελέτη των αναλογιών ισοτόπων στα πλαίσια της πλανητικής επιστήμης βασίζεται στο γεγονός πως το ηλιακό σύστημα έχει κοινή καταγωγή, άρα αυτές οι αναλογίες θα ήταν στην αρχή παντού οι ίδιες. Επομένως, τυχούσες τοπικές ανωμαλίες σε αυτές τις αναλογίες προέρχονται από συγκεκριμένα τοπικά χαρακτηριστικά που τις διαφοροποίησαν.
Ας δούμε πως αυτό εφαρμόζεται στην πιο απλή περίπτωση, σε αυτή της αναλογίας 36Ar/38Ar, δηλαδή δύο ισότοπα του Αργού που διαφέρουν μόνο ως προς το ότι το 38Ar έχει 2 νετρόνια παραπάνω από το 36Ar. Επιπλέον, αν θυμηθούμε από την χημεία πως το Αργό, ως ευγενές αέριο, δεν αντιδρά με άλλα χημικά στοιχεία για να δημιουργήσει ενώσεις, μπορούμε να θεωρήσουμε πως η ποσότητα Αργού που υπάρχει σήμερα είναι περίπου ίση με όση υπήρχε από την αρχή στο ηλιακό σύστημα. Επομένως, η αναλογία της ποσότητας από 36Ar ως προς την ποσότητα 38Ar θα πρέπει να είναι σταθερή όπως στην αρχή του ηλιακού συστήματος και περίπου η ίδια παντού μέσα σε αυτό.
Εκτός αν… υπάρχει ένας μηχανισμός στον οποίο το Αργό είναι έκθετο, κι αυτός είναι ο ηλιακός άνεμος, ο οποίος μπορεί και παρασέρνει κομμάτια της ατμόσφαιρας των πλανητών στο διαστρικό κενό (δείτε το βίντεο για μια προσομοίωση)
Όσο πιο μικρό είναι το σώμα, τόσο πιο δύσκολα η βαρύτητα του μπορεί και αντιστέκεται στον ηλιακό άνεμο, ειδικά αν αυτό δεν συνοδεύεται από κάποιο ισχυρό μαγνητικό πεδίο, όπως αυτό που έχει την τύχη να έχει η Γη. Πρόσθετα, όπως στον γήινο αέρα έτσι και στον ηλιακό άνεμο, ένα ελαφρύ αντικείμενο παρασύρεται πιο εύκολα από ότι ένα βαρύ. Το 38Ar έχει 2 νετρόνια παραπάνω από ότι το 36Ar, έτσι, περιμένουμε στο βάθος των αιώνων περισσότερο 36Ar να παρασύρεται από τον ηλιακό άνεμο από ότι 38Ar, μειώνοντας καθώς αυτό συμβαίνει, την αναλογία 36Ar/38Ar. Ο ρυθμός μείωσης μάλιστα θα έχει να κάνει με τα χαρακτηριστικά του κάθε σώματος του ηλιακού συστήματος, τα οποία μπορούν να μοντελοποιηθούν από αυτόν.
Η θεωρία επιβεβαιώνεται από τις μετρήσεις του λόγου 36Ar/38Ar που έχουμε πάρει τις τελευταίες δεκαετίες. Στον ήλιο, καθώς είναι το μοναδικό σώμα που δεν είναι έκθετο στον ηλιακό άνεμο, περιμένουμε ο λόγος 36Ar/38Ar να είναι σταθερός, ίσος με την αναλογία τις πρώτες στιγμές σχηματισμού του ηλιακού συστήματος. Ο λόγος αυτός μετρήθηκε από την αποστολή της ΝΑSA Genesis να είναι 5.5.
Ο Δίας, ως ο μεγαλύτερος πλανήτης του ηλιακού συστήματος, είναι και ο πιο ανθεκτικός στον ηλιακό άνεμο, οπότε και ο λόγος αυτός παραμένει λίγο-πολύ σταθερός, άρα περίπου ίσος με την αντίστοιχη τιμή του Ήλιου. Πράγματι, η αποστολή της NASA Galileo έχει μετρήσει αυτό τον λόγο να είναι από 5.35 ως 5.85 (5.6 με ακρίβεια 0.25). Τέλος, στην Γη ο εμπλουτισμός σε 36Ar αναμένεται να είναι αμβλύς, λόγω του μαγνητικού πεδίου της που δημιουργεί ασπίδα προστασίας από τον ηλιακό άνεμο. Η τιμή του λόγου αυτών των ισοτόπων του Αργού στην Γη έχει μετρηθεί στο 5.305, δηλαδή λίγο μικρότερη από την αντίστοιχη του Ήλιου και του Δία.
Ο Άρης από την άλλη μεριά είναι έκθετος στον ηλιακό άνεμο, οπότε η αναλογία αυτή έχει αλλάξει σημαντικά. Έτσι, το όργανο SAM, που βρίσκεται πάνω στο Curiosity, μέτρησε λόγο 36Ar/38Ar ίσο με 4.2, πολύ χαμηλότερο δηλαδή από ότι στο υπόλοιπο ηλιακό σύστημα. Να σημειωθεί, πως ο λόγος 36Ar/38Ar είναι το κύριο τεστ που γίνεται για να επιβεβαιωθεί πως κάποιος μετεωρίτης προέρχεται από εκεί. Την στιγμή που ο μετεωρίτης κρυσταλλωνόταν άτομα Αργού παγιδεύτηκαν στο εσωτερικό του. Μετρώντας τα και συγκρίνοντας την ποσότητα τους μπορούμε να έχουμε μια ισχυρή ένδειξη για το αν αυτός πράγματι προέρχεται από τον Άρη (Εικόνα 1).
Κλείνουμε την παρένθεση και επιστρέφουμε στα της ατμόσφαιρας του πλανήτη. Η μεταβολή λοιπόν από 5.5 σε 4.2 οφείλεται στον ηλιακό άνεμο που παρέσυρε πιο εύκολα τα άτομα του αργού που είχαν 2 νετρόνια λιγότερα από τους βαρύτερους «συναδέλφους τους». Μέσω αυτής της μεταβολής μπορούμε να εκτιμήσουμε την μέση ένταση του ηλιακού ανέμου, και τέλος, το συνολικό ποσοστό της αρειανής ατμόσφαιρας που έχει χαθεί τα τελευταία 4.5 δισεκατομμύρια χρόνια.
Η εκτίμηση που γίνεται από τα δεδομένα του Curiosity και τα σημερινά μοντέλα έχει ελάχιστη τιμή 2 (πως δηλαδή η αρχική ατμόσφαιρα του Άρη ήταν 2 φορές πιο πυκνή από ότι σήμερα) και μέγιστη τιμή πάνω από 20. Είναι εύκολα αντιληπτό πως αυτό το εύρος τιμών, από 2 ως πάνω από 20, δεν είναι ικανοποιητικό. Ο δορυφόρος MAVEN, μέσω της εκτεταμένης μέτρησης ισοτόπων και της μελέτης του ηλιακού ανέμου θα μας επιτρέψει να υπολογίσουμε με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια πόσο πιο πυκνή ήταν η πρώιμη αρειανή ατμόσφαιρα, αλλά και με ποια διαδικασία αυτή χάθηκε στο κενό. Προκειμένου να επιτύχει αυτό τον σκοπό, το MAVEN δεν θα μετράει μόνο τον λόγο 36Ar/38Ar αλλά και τους λόγους 36Ar/40Ar, 12C/13C, 16O/18O, 14N/15N και D/H (δευτέριο προς υδρογόνο).
To δευτέριο και το νερό στον Άρη.
Ο λόγος δευτερίου (ισοτόπου του υδρογόνου το οποίο έχει στον πυρήνα του ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο σε αντίθεση με το υδρογόνο που έχει μόνο ένα πρωτόνιο) προς υδρογόνο έχει βρεθεί πως είναι χαρακτηριστικό της ποσότητας του νερού που βρίσκεται σε έναν πλανήτη. Έτσι, σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε φέτος τον Μάιο, ερευνητές από την Ιαπωνία μελέτησαν την αναλογία D/H σε μετεωρίτες από τον Άρη διαφορετικής ηλικίας και συγκρίνοντας την με τα στοιχεία από το Curosity κατέληξαν πως η ποσότητα νερού που χάθηκε από τον πλανήτη μεταξύ 4.5 και 4.1 δις χρόνια πριν την σημερινή εποχή ήταν μεγαλύτερη από την ποσότητα που χάθηκε έκτοτε.
Συγκεκριμένα, οι πλέον συντηρητικές εκτιμήσεις αναφέρουν πως η ποσότητα νερού που χάθηκε τα πρώτα 400 εκατομμύρια χρόνια ήταν τέτοια που θα μπορούσε να καλύψει τον Άρη ομοιόμορφα με 70 μέτρα νερού ενώ η ποσότητα που χάθηκε στα επόμενα 4.1 δις χρόνια μπορούσε να τον καλύψει μόνο με 30 μέτρα νερού. Αυτή η εξέλιξη είναι αντίθετη με όσα νομίζαμε ως σήμερα (πως δηλαδή το νερό χάθηκε σταδιακά και με σταθερούς περίπου ρυθμούς), και δείχνει πως ο μηχανισμός αυτός είναι εν πολλοίς άγνωστος και πολύ πιο περίπλοκος από ότι αρχικά είχαμε θεωρήσει. Στην ίδια εργασία εκτιμάται πως η ποσότητα νερού που υπάρχει ακόμα στον Άρη είναι τέτοια που θα μπορούσε να καλύψει τον Άρη με ένα στρώμα νερού πάχους 100-1000 μέτρων.
Ας κάνουμε εδώ μια παρένθεση για να τονίσουμε πως η μονάδα μέτρησης του νερού που υπάρχει σε πλανητικό επίπεδο λέγεται GEL (global equivalent layer) και εκτιμάται σε μέτρα. 1m GEL είναι η ποσότητα νερού που απαιτείται για να καλύψει ομοιόμορφα έναν πλανήτη με στρώμα νερού πάχους 1 μέτρου. Έτσι, οι αναφερόμενες τιμές «χαμένου νερού» αντιστοιχούν σε 70m GEL, 30m GEL και 100-1000m GEL. Συγκριτικά, η ποσότητα νερού που υπάρχει στην Γη, αν αγνοήσουμε το νερό που υπάρχει μέσα στον μανδύα και που μέχρι σήμερα δεν έχει εκτιμηθεί επακριβώς, είναι ίση με 3200m GEL (δηλαδή στην Γη υπάρχει τόσο νερό που θα θα μπορούσαμε να την καλύψουμε με ένα ομοιόμορφο στρώμα πάχους 3.2 χιλιομέτρων). Επιπλέον, η ποσότητα νερού που υπάρχει στους παγωμένους πόλους του Άρη εκτιμάται σε 20-30m GEL.
Βλέπουμε πως μεταξύ των 20-30m GEL που υπάρχουν στους πόλους και τα 100-1000m GEL που υπάρχουν σε όλο τον Άρη, υπάρχει ένα υπόλοιπο τόσο μεγάλο που μπορεί να ισοδυναμεί με 50 φορές το νερό που υπάρχει στους πόλους του. Που είναι όλο αυτό το νερό; Η απάντηση είναι: στο υπέδαφος. Οι πρώτες ενδείξεις που υπήρξαν από την εποχή των αποστολών Viking, επιβεβαιώνονται με τον πιο εμφατικό τρόπο τα τελευταία χρόνια από τις κάμερες υψηλής ανάλυσης HiRiSE και CTX (Context Camera) της αποστολή Mars Reconnaissance Orbiter της NASA, που περιστρέφεται σε κυκλική τροχιά γύρω από τον Άρη από το 2006 και έκτοτε.
Σε μια φετινή εργασία που δημοσιεύτηκε στην επιθεώρηση Journal of Geophysical Research, μια ομάδα της NASA ανακοίνωσε την ανακάλυψη 20 περιπτώσεων όπου νέες προσκρούσεις μετεωριτών υπό γωνία έσκαψαν το έδαφος, αποκαλύπτοντας πολύ κοντά σε αυτό κάποιο στρώμα πάγου που βρισκόταν μέχρι τότε θαμμένο. Όλες βρισκόταν στο βόρειο ημισφαίριο του Άρη, στην περιοχή που πιθανολογείται πως μέχρι πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια, νερό σε υγρή μορφή σχημάτιζε είτε κάποιον ωκεανό είτε ένα εκτεταμένο δίκτυο λιμνών. Η νοτιότερη από αυτές βρισκόταν σε γεωγραφικό πλάτος 39 μοιρών, νοτιότερα δηλαδή από το γεωγραφικό πλάτος που στην Γη βρίσκεται η Θεσσαλονίκη!
Μετεωρίτης αποκαλύπτει τον πάγο που βρίσκεται στο υπέδαφος
Μπορούμε λοιπόν να φανταστούμε πως κάτω από ένα τόσο μεγάλο τμήμα του βορείου ημισφαιρίου του Άρη κρύβεται ένα συμπαγές και ευρύ στρώμα πάγου, τόσο μεγάλο που να περιέχει την ποσότητα νερού που λείπει, βάσει των D/H μοντέλων; Πολύ πιθανό. Καταγραφές που έχουν γίνει με την χρήση ραντάρ στις περιοχές αυτές δείχνουν πως ο πάγος μπορεί να ξεκινάει ακόμα και 1 μέτρο κάτω από το έδαφος, να εκτείνεται για δεκάδες μέτρα και να έχει τέτοια καθαρότητα που σε κάποιες περιπτώσεις να φτάνει στο 100%, δηλαδή να μην είναι καθόλου αναμεμειγμένος με χώμα ή σκόνη.
Γίνεται εύκολα αντιληπτό πως η ποσότητα του νερού που κρύβεται κάτω απ την επιφάνεια του Άρη θα παίξει τεράστιο ρόλο στον ενδεχόμενο μελλοντικό αποικισμό του πλανήτη. Με βάση τα σημερινά μοντέλα, αυτή η ποσότητα μπορεί να είναι τόσο μικρή όσο κάποιες δεκάδες μέτρα GEL ή τόσο μεγάλη όσο 1 χιλιόμετρο GEL. Η αποστολή MAVEN θα μας βοηθήσει ώστε η εκτίμηση μας να γίνει τάξεις μεγέθους περισσότερο ακριβής, λύνοντας μια και για πάντα τα ερωτήματα σχετικά με το πόσο νερό υπήρχε αρχικά στον Άρη και πόσο παραμένει ως σήμερα εκεί.
Ηλιακός άνεμος, σκόνη και ραντεβού με κομήτες
Τα παραπάνω είναι μόνο κάποιοι από τους επιστημονικούς στόχους που έχουν τεθεί σχετικά με την αποστολή MAVEN. Δυστυχώς στο παρόν άρθρο είμαστε υποχρεωμένοι να αδικήσουμε, για λόγους χώρου, κάποιες πολύ σημαντικές μελέτες που θα πραγματοποιηθούν μέσω αυτής της αποστολής. Ενδεικτικά, αναφέρουμε κάποιες ακόμα από τις σημαντικότερες:
- Για πρώτη φορά θα εξεταστεί ο ηλιακός άνεμος σε απόσταση μεγαλύτερη της μίας Αστρονομικής Μονάδας. Αυτό θα συμβεί γιατί ως σήμερα ο ηλιακός άνεμος μελετάται είτε στην Γη (που εξ ορισμού βρίσκεται σε απόσταση 1 αστρονομικής μονάδας από τον Ήλιο) είτε σε αποστάσεις κοντινές στον Ήλιο, προσπαθώντας να αναλυθεί το φαινόμενο εν τη γενέσει του. Παρά το γεγονός πως ξέρουμε πως ο ηλιακός άνεμος φτάνει μέχρι τα άκρα του ηλιακού συστήματος, θα είναι η πρώτη φορά που θα εξεταστεί πως μεταβάλλεται τόσο μακριά από την πηγή του. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας θα έχουν σημαντική επίδραση στην σχεδίαση μελλοντικών επανδρωμένων αποστολών στον Άρη.
- Η χρονική στιγμή που φτάνει στον Άρη το MAVEN, συμπίπτει με την περίοδο που βρίσκονται σε έξαρση οι ηλιακές καταιγίδες, τόσο σε αριθμό όσο και σε ένταση. Ομοίως με τον ηλιακό άνεμο, αυτές θα είναι η πρώτη φορά που θα εξεταστούν σε τόσο μεγάλη απόσταση από την πηγή δημιουργίας τους.
- Το MAVEN για πρώτη φορά θα μελετήσει εκτεταμένα την εξώσφαιρα και την ιονόσφαιρα του Άρη, δίνοντας πολύτιμες πληροφορίες για τις διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε αυτές. Ειδικά για την ιονόσφαιρα το ενδιαφέρον είναι μεγάλο, αφού διαφέρει ριζικά από αυτή της Γης στο ότι, αντίθετα με την δικιά μας, η ιονόσφαιρα του Άρη δεν προστατεύεται από τον ηλιακό άνεμο από κάποιο μαγνητικό πεδίο.
- Στις 19 Οκτωβρίου το MAVEN θα βρεθεί σε απόσταση 132 χιλιάδων χιλιομέτρων (το 1/3 της απόστασης Γης-Σελήνης) από τον κομήτη C/2013 A1 Siding Spring, o οποίος ανακαλύφτηκε μόλις τον Ιανουάριο του 2013. Αυτός είναι ένας κομήτης μακράς περιόδου, προερχόμενος από το νέφος του Όορτ, και θα καταγραφεί για πρώτη φορά από τόσο κοντά.
Υ.Γ.
Δύο μέρες μετά το MAVEN, στον Άρη καταφτάνει και η Ινδική αποστολή Mars Orbiter Mission (ΜΟΜ) ή Mangalyaan, μια τεράστια επιτυχία για την Ινδία όχι μόνο γιατί θα γίνει μόλις η τέταρτη διαστημική υπηρεσία, μετά από NASA, ESA και ROSCOSMOS, που φτάνει επιτυχημένα στον Άρη, αλλά και γιατί το κόστος του Mangalyaan είναι περίπου 70 εκατομμύρια δολάρια, δηλαδή το ένα έβδομο του κόστους του MAVEN, το οποίο μάλιστα σχεδιάστηκε και πλασαρίστηκε από την ΝASA ως χαμηλού κόστους αποστολή.
Δυστυχώς όμως, η Ινδική υπηρεσία διαστήματος υπάγεται εξ ολοκλήρου στον στρατό, κάτι που έχει ως αποτέλεσμα μια μυστικοπάθεια όσον αφορά τα δεδομένα που εξάγονται από τις αποστολές της, που αντιμετωπίζονται ως στρατιωτικά μυστικά. Αυτή η απροθυμία της Ινδίας, μεγαλύτερη ακόμα και από αυτή της «συνήθους υπόπτου» Κίνας, να μοιραστεί τα δεδομένα της με την διεθνή επιστημονική κοινότητα μειώνει την σημασία της αποστολής αυτής και σαμποτάρει την ίδια την προσπάθεια της για διεθνή αναγνώριση της επιτυχίας της. Με τα παραπάνω όμως σιγά-σιγά «γλιστράμε» από την περιοχή της επιστήμης και μπαίνουμε σε αυτήν της πολιτικής, οπότε καλύτερα να σταματήσουμε εδώ.