NASA's Curiosity rover heeft met zijn Tunable Laser Spectrometer (TLS) herhaaldelijk methaan gedetecteerd op Mars, wat aanleiding gaf tot speculaties over mogelijke biologische bronnen.
Maar hoe betrouwbaar zijn deze waarnemingen? Onze recente studie geeft aanleiding tot ernstige bezorgdheid en suggereert dat het om instrumentele artefacten gaat.
Methaandetecties door Curiosity zetten de wetenschappelijke gemeenschap voor een raadsel
Omdat methaan op aarde voornamelijk wordt geproduceerd door biologische activiteit, heeft de gerapporteerde aanwezigheid van methaan in de atmosfeer van Mars in de afgelopen twintig jaar een sterke wetenschappelijke interesse opgewekt. Maar ondanks de opwinding over deze detecties en hun mogelijke implicaties voor de zoektocht naar buitenaards leven, blijft scepsis bestaan.
De grote paradox is dat geen van de twee onafhankelijke spectrometers aan boord van ESA's ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) ooit een spoor van methaan heeft gedetecteerd sinds het begin van de missie in 2018.
De TGO-instrumenten hebben in plaats daarvan een strenge bovengrens vastgesteld die meer dan tien keer lager is dan de laagste eerder gemelde detectie. Pogingen om de TGO en eerdere meldingen met elkaar in overeenstemming te brengen,
vereisen dat het vermeende methaan varieert op manieren die niet overtuigend kunnen worden verklaard door bekende chemische of fysische processen.
Sinds zijn landing in Gale Crater in 2012 hebben vooral de detecties geregistreerd door de Tunable Laser Spectrometer (TLS) aan boord van NASA's Curiosity rover de aandacht getrokken (zie Figuur 1). Door het analyseren van monsters Marslucht die ter plekke zijn verzameld,
hebben deze in situ metingen een duizelingwekkend aantal onderzoeken op gang gebracht die de bron en oorsprong van dit methaan proberen bloot te leggen, maar tot op vandaag heeft geen enkele onafhankelijke groep de onderliggende dataset onder de loep genomen.
Wat als de bron van methaan van Curiosity zelf kwam?
Om licht te werpen op de schijnbare inconsistenties in het verhaal rond methaan op Mars, worden in onze studie, die onlangs is gepubliceerd in het Journal of Geophysical Research: Planets, publiek beschikbare TLS-gegevens opnieuw geanalyseerd en wordt de Martiaanse oorsprong van het gedetecteerde methaan in twijfel getrokken.
We ontdekten dat de vooroptiekkamer – het compartiment waar de laser wordt uitgezonden, direct grenzend aan de monstercel met Marslucht (zie onderkant van Figuur 2) – vervuild is met methaan op niveaus die minstens 1000 keer hoger zijn dan de niveaus in de monstercel.
Deze verontreiniging, die aanvankelijk werd veroorzaakt door de onopzettelijke introductie van aardse lucht vóór de lancering van Curiosity, is blijven voortbestaan ondanks herhaaldelijke pogingen om het gas uit het systeem te verwijderen: na elke poging komt het methaan systematisch weer tevoorschijn en hoopt het zich opnieuw op.
We namen ook abnormale drukvariaties waar tijdens de metingen (zie bovenkant van Figuur 2), ondanks het feit dat zowel de vooroptiekkamer als de monstercel hermetisch afgesloten zouden moeten zijn, wat betekent dat er geen Marslucht in of uit beide compartimenten zou moeten kunnen ontsnappen.
Deze variaties duiden op gasuitwisseling met een ongeïdentificeerd reservoir –waarschijnlijk de Martiaanse atmosfeer – waardoor bezorgdheid ontstaat over de afdichting van de compartimenten van het instrument en de integriteit van het luchtmonster.
Hoewel de exacte bron van het methaan in de vooroptiekkamer vooralsnog onbekend blijft, verhoogt zijn nabijheid tot de monstercel de kans op diffusie doorheen de afdichting die de twee compartimenten scheidt (zie onderkant Figuur 2).
We tonen aan dat zelfs een extreem kleine fractie - minder dan een duizendste van de methaanrijke lucht in de vooroptiekkamer – dat diffundeert in de monstercel de eerder gerapporteerde methaandetecties volledig kan verklaren.
Bovendien zouden drukvariaties als gevolg van deze interne gasuitwisselingen gemaskeerd worden door de veel grotere variaties die veroorzaakt worden door uitwisselingen met het ongeïdentificeerde reservoir.
Methaananalysemethode van Curiosity werpt twijfels op
Ons onderzoek identificeert ook mogelijke problemen in de manier waarop TLS-gegevens geanalyseerd werden in vijf eerder gepubliceerde experimenten. De methaanconcentratie werd bepaald door analyse van TLS-spectra bij drie infrarode golflengten (zie Figuur 3a), die een triplet van spectraallijnen vormen met de namen “e”, “f” en “g”. In de standaardpraktijk levert één vastgelegd spectrum één methaanconcentratiemeting op door alle drie de lijnen samen te beschouwen.
In plaats van deze conventionele aanpak te volgen, werd echter elke spectraallijn afzonderlijk geanalyseerd, wat resulteerde in drie afzonderlijke methaanconcentraties die vervolgens werden gemiddeld om de gerapporteerde waarde te verkrijgen (zie Figuur 3b).
Deze aanpak is problematisch: we zien dat in de meeste gevallen slechts een van de drie spectraallijnen de aanwezigheid van methaan suggereert, terwijl de andere twee dat niet doen. Toch leidt het gewogen gemiddelde tot een positieve detectie. Met andere woorden, de gerapporteerde detectie is voornamelijk gebaseerd op een van de drie spectraallijnen, terwijl de andere twee niets zien.
Bovendien zijn in alle de vijf TLS-experimenten met publiek beschikbare gegevens de drie methaanconcentratiewaarden niet onderling consistent binnen hun respectieve onzekerheden (zie Figuur 3b).
We schatten dat de kans dat dit in alle gevallen - puur toevallig - gebeurt slechts één op duizend is. Onze heranalyse wijst sterk op de aanwezigheid van systematische fouten, die waarschijnlijk gemaskeerd worden door het gemiddelde te nemen van drie inconsistente methaanmetingen.
Onze analyse suggereert dat het methaan gedetecteerd in de monstercel:
- afkomstig kan zijn van de rover zelf, mogelijk door gasdiffusie vanuit de vooroptiekkamer;
- het gevolg kan zijn van onderschatte meetonzekerheden; of
- het gevolg kan zijn van een combinatie van beide factoren.
Een voorgestelde test om de herkomst van het gedetecteerde methaan te bepalen
Ons onderzoek werd mogelijk gemaakt doordat het instrumententeam belangrijke TLS-datasets openbaar ter beschikking heeft gesteld – een openheid die erkenning verdient.
Hoewel onze analyse ernstige twijfels doet rijzen over de betrouwbaarheid van de methaandetecties van Curiosity, opent het ook de deur naar het ophelderen van enkele onzekerheden die al jarenlang bestaan. We stellen voor om in de toekomst een eenvoudige maar beslissende test uit te voeren die zou kunnen helpen om de werkelijke oorsprong van het gedetecteerde methaan vast te stellen.
Deze test zou bestaan uit een zorgvuldig ontworpen opeenvolging van twee TLS-experimenten die in opeenvolgende nachten worden uitgevoerd, waarbij het Marsluchtmonster in de cel verzegeld blijft.
Door het monster langere tijd in de cel te laten en de methaanconcentraties die in beide experimenten zijn gemeten te vergelijken, zou deze test kunnen bepalen of het methaan dat Curiosity detecteert echt van Mars afkomstig is of van interne besmetting. Als dit eenvoudige experiment wordt uitgevoerd, kan het cruciale inzichten verschaffen in het langdurige debat over de vraag of het methaan op Mars echt is of slechts een illusie.
Figuur 1. NASA's Curiosity rover op de bodem van Gale Crater op Mars. Met dank aan: NASA/JPL- Caltech/MSSS
Figuur 2. Boven: Drukmetingen in de monstercel (links) en de vooroptiekkamer (rechts) tijdens een TLS- methaanexperiment, die een significante toename laten zien tijdens de detectie van methaan. Onder:
Schematische weergave van het TLS-instrument, met markering van de monstercel en de
vooroptiekkamer. Zelfs een minieme diffusie van methaan uit de vervuilde vooroptiekkamer door de O- ringafdichting zou de concentraties kunnen verklaren die in de monstercel worden waargenomen, terwijl de resulterende drukveranderingen te klein zouden blijven om te detecteren. De onderste figuur is
gebaseerd op het TLS-schema van NASA (https://www.nasa.gov/image-article/tunable-laser- spectrometer-nasas-curiosity-mars-rover/).
Figuur 3. Links: Illustratie van een spectrum met de drie spectraallijnen van methaan, aangeduid met e, f en g, waarbij de lijn g twee keer zo sterk is als de andere. Rechts: Voorbeeld van resultaten van een TLS- methaanexperiment, waarin inconsistenties in methaanmetingen naar voren komen: de waarden
afgeleid uit de drie spectraallijnen zijn niet onderling consistent binnen hun respectieve onzekerheden, zoals weergegeven door de foutbalken.
Terwijl twee lijnen suggereren dat er geen duidelijke detectie is, geeft de derde de aanwezigheid van methaan aan, wat resulteert in een gewogen gemiddelde dat wijst op een duidelijke detectie. Vergelijkbare discrepanties zijn waargenomen in andere TLS-experimenten met openbaar beschikbare gegevens.
