Mechaniczni uczeni na Marsie cz. 1

Fabularyzowana historia misji marsjańskich.

WSTĘP.

W związku z tym, że do Marsa zbliża się nowa misja NASA - Mars 2020 Perseverance - postanowiłem przedstawić skromny opis dotychczasowych misji marsjańskich. Ale postanowiłem zrobić to w inny sposób, niż można by tego oczekiwać. Nie chcę przedstawiać ponumerowanej listy dat, nazw i detali, ani lakonicznych notatek z suchymi faktami. Zamiast tego pragnę zainteresować tematem te osoby, które nie wiele o Marsie czy misjach kosmicznych wiedzą, wprowadzić w temat lekko, luźno i zabawnie. Opisać coś, co mogłoby zaciekawić i zachęcić, aby więcej informacji szukać samodzielnie. Takie coś. 

Nie zamierzam trzymać się ściśle chronologii. Wiele faktów jedynie wspomnę bez wdawania się w szczegóły, inne opiszę dokładniej, większość jednak całkowicie przemilczę. Całość opowieści ma trzy części, które są nierówne w tempie i ilości technikaliów. W pierwszej poznamy trochę historii, w drugiej podejrzymy, jak się wysyła coś w kosmos, zaś w trzeciej części będziemy towarzyszyć jednemu z odkrywców w zdobywaniu wiedzy o Marsie. Mam nadzieję, że te opowieści przybliżą to, jak się zdobywa kosmos i bada inną planetę w Układzie Słonecznym.

Ponieważ ludzie jak dotąd na Marsa nie latają, zamiast tego latają tam maszyny zbudowane z żelaza, trzonem opowieści uczyniłem rozróżnienie między uczonymi organicznymi (zbudowanymi ze związków węgla) a mechanicznymi. Tak to sobie wymyśliłem. A wszystko zaczyna się w latach 60. XX wieku, kiedy to uczeni organiczni zapragnęli zdobywać Księżyc. (Program Apollo, zob. Wikipedia).

PIERWSZE PRÓBY.

Uczeni mechaniczni też podchwycili pomysł eksploracji kosmosu, obrali jednak ambitniejsze wyzwanie: Mars. Tylko… jak tam bezpiecznie dolecieć? Wielu myślało, że to proste. Wystarczy się rozpędzić ponad prędkość ucieczki z Ziemi (zob. Wikipedia), skierować się w stronę Marsa i już. A raczej w stronę, w której Mars będzie, kiedy się tam doleci. Mars nie tkwi w miejscu, lecz się przemieszcza. Okrąża przecież Słońce po swojej orbicie. Znamy tę orbitę i prędkość Marsa, zatem wcześniej wypada wyliczyć punkt, w którym spotkają się wspólnie lecąca z Ziemi rakieta i wędrujący po swej orbicie Mars. Niestety, zadanie to okazało się łatwe w teorii, a za wypracowanie efektywnych rozwiązań inżynieryjnych wielu mechanicznych śmiałków zapłaciło najwyższą cenę.

Pierwszy mechaniczny chcący polecieć na Marsa jedynie podskoczył, ale nie wzbił się w powietrze. Drugi wzbił się w powietrze, lecz nie pokonał grawitacji Ziemi, zostając uwięzionym na jej orbicie. Trzeci pokonał grawitację Ziemi, lecz doznał awarii gdzieś między Ziemią a Marsem. Wystartował więc następny śmiałek. Wyznaczony kurs przecinał się z okołosłoneczną orbitą Marsa i z każdą chwilą on sam, jak i Mars, zbliżali się do punktu wspólnego spotkania. Mechaniczny coś jednak źle poobliczał, bowiem z Marsem się rozminął. Jego następca lepiej wyznaczył trajektorię lotu i już bez trudności trafił w Marsa. Niestety, trafił z pełną mocą silników, przy pełnej prędkości. Wreszcie kolejnemu śmiałkowi udało się na Marsie wylądować. Radość z tej przełomowej chwili nie trwała jednak długo. Po 14 sekundach stracono ze zdobywcą Marsa łączność i już nigdy nie udało się jej nawiązać. Odebrano od niego tylko jedno zdjęcie:

Ryc. 1.
Jedyne zdjęcie przysłane przez lądownik Mars 3.
(z Wikimedia Commons © 1971 Radziecka/Rosyjska Akademia Nauk)

Co to się stało? Czy jeszcze zanim opadł piach wzniecony przy lądowaniu, odważnego odkrywcę obiły miejscowe zbiry? Zapanowała konsternacja.

FOTOGRAFIE MARINERÓW.

Mechaniczni nie przywykli jednak rezygnować z raz podjętych zamiarów. Szybko znaleźli się następni chętni, aczkolwiek zaproponowali odmienną strategię. Bracia Marinerzy (zob. Wikipedia) założyli, że łatwiej zostać satelitą niż osadnikiem. Nie odważyli się lądować, bojąc się gościnności Marsjan. Postanowili jedynie zrobić rozpoznanie z bezpiecznej odległości – z marsjańskiej orbity.

Jednak wstępne założenia okazały się zbyt optymistyczne. Jeden Mariner nie zauważył, że rakieta nośna, do której wsiada, jest felerna. Kiedy się wystrzelił, zamiast gnać w kosmos, zaczął koziołkować w powietrzu i zginął na miejscu, wpadając z olbrzymią siłą w ocean. Drugi wystrzelił się z Ziemi z sukcesem, ale nie poradził sobie z wyjściem z kabiny, w której leciał, a która miała go chronić przy starcie. Siedząc w tej kabinie w przestrzeni kosmicznej, z nadaną już prędkością, poleciał na oślep w nieznane. Inni nie mieli takich trudności i dolecieli do Marsa. Ale tam okazało się, że tor ich lotu nie pozwalał na znalezienie się w odległości, w której przejęła by ich marsjańska grawitacja. Pchani raz nadaną prędkością polecieli dalej. Musiało być im smutno, kiedy Mars mijał im za oknem, aby zniknąć w tyle jako maleńki punkcik. Robili co mogli, aby chociaż jakieś fotki strzelić i wysłać je drogą radiową na Ziemię. (Pod tym linkiem znajduje się artykuł na portalu time.com na temat pierwszego takiego zdjęcia). Jednemu z tych Marinerów udało się zrobić zdjęcie bieguna Marsa z czymś białym – tutaj jedynie to zaznaczam, bo temat niebawem powróci.

Tylko jeden z braci zrealizował początkowy plan. W roku 1971 Mariner 9 (zob. Wikipedia) z dumą zameldował przez radio, że właśnie został trzecim księżycem Marsa. Meldował dalej, że widzi kratery, rowy i nieczynne wulkany, lecz ani jednego Marsjanina, który by mu tam z dołu wygrażał pięścią. Na dowód swoich słów przesłał 7 tysięcy zdjęć. Odetchnięto z ulgą. 

Ryc. 2.
Mars widziany ze swej orbity.
Widzimy „uśmiechnięty” krater Galle'a i marsjańską atmosferę.
(z Wikimedia Commons © 1976 NASA)

Fruwając nad powierzchnią Marsa Mariner 9 odkrył coś niezwykłego: olbrzymią bliznę przebiegającą w pewnym miejscu ze wschodu na zachód (lub na odwrót). Rozmiary tego „rowu” były imponujące. Takich cudów geologicznych na Ziemi nie znano. System kanałów długich na 5 tys. km i głębokich do 8 km! To wciąż robi wrażenie. Ten "kanion" ma status największego w całym Układzie Słonecznym. Na cześć swego odkrywcy został nazwany Dolinami Marinera (Valles Marineris, czyli po polsku "doliny żeglarzy", ale na język polski nie tłumaczymy nazwy własnej tego robota) (zob. Wikipedia).

CZY NA BIEGUNACH JEST WODA?

Dwadzieścia parę lat później, mechaniczni uczeni byli zafascynowani tymi wczesnymi zdjęciami biegunów Marsa, na których – jak już to zostało zasygnalizowane wcześniej – biedni Marinerzy, którzy rozminęli się z Marsem, zaobserwowali białe plamy. Mars był dotąd postrzegany jako wysuszona na wiór, piaszczysta planeta. Tymczasem te białe plamy na biegunach sugerowały, że mogły to być czapy lodowe. Czy to możliwe, aby na tej czerwonej pustyni znajdowała się woda w stanie stałym? Organiczni uczeni pukali się w czoło. Mówili, że skoro Mars jest suchą pustynią i jego atmosfera to praktycznie sam dwutlenek węgla, to mechaniczni uczeni mogliby sobie znaleźć na biegunach Marsa co najwyżej suchy lód, czyli dwutlenek węgla w stanie stałym. Mechaniczni oburzyli się brakiem wyobraźni tych zaledwie przeciętnych uczonych, poczuli się zlekceważeni. Aby wyjaśnić tajemnicę biegunów, na Marsa poleciała para bliźniaków. Niestety, bliźniacy zginęli przy próbie lądowania. (Mars Polar Lander, zob. Wikipedia). Mechaniczni wznieśli swoje wysięgniki ku niebiosom w geście rozpaczy.

Do tego problemu zabrał się kolejny śmiałek. Ponieważ lądowanie na Marsie wiązało się z ryzykiem katastrofy, tak jak bracia Marinerzy, postanowił tam nie lądować, a jedynie dać się złapać polu grawitacyjnemu planety i ją okrążać na niskiej orbicie. Nazywał się Mars Odyssey (zob. Wikpedia). Przywiózł też ze sobą nowoczesne spektrometry, które zamierzał użyć to poszukiwania śladów wody. Spektrometr to ogólne pojęcie opisujące urządzenia zdolne analizować promieniowanie elektromagnetyczne i na tej podstawie oceniać skład chemiczny badanych substancji. Ale urządzenie, jakie zabrał ze sobą Mars Odyssey, było znacznie bardziej zaawansowane, niż sugerowałby to przedstawiony przed chwilą krótki opis.

Kiedy promienie kosmiczne (w tym przypadku chodzi o protony i cząstki alfa) bombardują powierzchnię Marsa, powodują w Marsie reakcje jądrowe generujące neutrony. Te zaś ledwo się narodzą i wylecą z jądra atomowego, już uderzają w jądro innego atomu. Atom, którego jądro oberwało takim neutronem, emituje promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu gamma. Ale niektóre neutrony w nic nie uderzą i ulecą z marsjańskiej powierzchni. Takie neutrony i promieniowanie gamma można wyłapać detektorem umieszczonym na orbicie. Cuda, nieprawdaż? Różne pierwiastki mają różne właściwości, różnią się też w zależności od tego, ile tego typu neutronów są w stanie przechwycić, a ile przepuścić dalej. Detektor jest w stanie takie różnice w pomiarach wychwycić i ustalić, jakie pierwiastki się znajdują na powierzchni i w atmosferze Marsa. Podobno łatwo w ten sposób ustalić, gdzie na planecie znajduje się wodór. A po co lokalizować wodór na powierzchni Marsa? Aby odpowiedzieć na to pytanie, zadajmy inne: w czym znajduje się wodór? Wodór znajduje się na przykład w wodzie (wszak woda to H₂O, czyli wodór i tlen).

Korzystając ze swoich spektrometrów mechaniczny ustalił, że na południowym i wokół północnego bieguna pełno było sygnału wodoru. Zatem, czy na biegunach Marsa znajdował się lód wodny? Organiczni uczeni pokiwali głowami z podziwem, ale nie dali się tak łatwo przekonać. (Jeżeli temat tego spektrometru, neutrononów i wodoru cię zaciekawił, zob. artykuł Boynton i wsp. 2002 w Science).

Ryc. 3.
Neutrony epitermiczne - czyli o pewnych określonych prędkościach - emitowane w trakcie pierwszych 3 miesięcy obserwacji.
Kolor niebieski (mało neutronów) wskazuje na wodór.
(PIA03800 © 2002 NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona/Los Alamos NL)

UDANE LĄDOWANIA.

Śmiałkami, którym lądowanie w końcu się powiodło, byli bracia Vikingowie (lata 70., zob. Wikipedia), bracia Pathfinder-Sojourner (lata 90., zob. Wikipedia) oraz bracia MER (początek XXI w., zob. Wikipedia). Wszyscy raportowali zgodnie, że powierzchnia Marsa to piach i kamienie. Całe mnóstwo kamieni. Pustynia sucha, ale i martwa. Bez Marsjan. Nigdzie żywej duszy. Nikt nie przyszedł ich przywitać. Żadne zwierzątko nie przegryzało kabli. Mars był więc piaszczysty i martwy, jak raportował Mariner 9. (Z drugiej strony, Marsjanie mogli się ukryć, wszak na ich ziemi wylądowało UFO. Tej opcji nie można zbyt pochopnie wykluczyć).

Ryc. 4.
Mars, jaki zobaczył Viking 1.
(z „The Martian Landscape” © 1978 NASA)

Ryc. 5.
Mars, jaki zobaczył Viking 2.
(z „The Martian Landscape” © 1978 NASA)

Ryc. 6.
Mars widziany przez lądownik Pathfinder, kiedy łazik Sojourner wyjechał obwąchać kamienie.
(PIA00660 © 1997 NASA/JPL-Caltech)

Ryc. 7.
Mars widziany przez jednego z barci MER, Spirita.
Kompilacja zdjęć z nast. dni: sol 15, 708, 1351, 807, 748, 1057, 621, 1085.
(MER Raw Images © 2004-2008 NASA/JPL-Caltech)

MARSJAŃSKIE JAGODY.

Mechaniczni uczeni, którzy osiadli na Marsie, grzebali sobie w marsjańskim piachu i podziwiali marsjańskie kamienie, kiedy jeden z braci MER znalazł pełno małych kuleczek (spherules). Nazwał je jagodami (berries). Leżały wszędzie, na piasku, na kamieniach, ale tkwiły też w kamieniach, o czym można było się przekonać wiercąc w kamieniach dziury. (Ten mechaniczny uczony zabrał ze sobą wiertarkę). Marsjańskie jagody okazały się jednak niejadalne. To także były kamienie a ich głównym minerałem zdawał się być hematyt, tlenek żelaza.

Ryc. 8.
Hematytowe jagody odkryte prezez jednego z braci MER, Opportunity.
(sol 14, MER Raw Images © 2004 NASA/JPL-Caltech)

Odkrywca wywołał przez radio Ziemię. Powiedział, że jest zbyt daleko od biegunów aby sprawdzić, co jest źródłem sygnału wodoru, ale ma wiadomość odnośnie wody w miejscu, w jakim przebywał. Powiedział, że znalazł hematytowe kuleczki, a to sugeruje, że przynajmniej kiedyś w tej okolicy musiało być nieco wody, bo przecież hematyt rodzi się w wilgotnym środowisku. Ponadto przypomniał sobie i nie omieszkał o tym wspomnieć swym organicznym rozmówcom na Ziemi, że na Ziemi też są znane takie kuleczki. Znaleziono takowe w skałach wytworzonych przez osady wodne. W Australii znaleziono kuleczki z tlenkiem glinu, żelaza i tytanu, w Wenezueli - z magnetytem, zaś w piaskowcu Navajo w Nevadzie, w Stanach Zjednoczonych - z hematytem. (Zob. notatkę prasową na str. NASA, poster konferencyjny PDF Gánti i wsp. 2005 i/lub artykuł Chan i wsp. 2004 w Nature).

Ryc. 9.
Równina Meridiani Planum zasypana hematytowymi kuleczkami.
(sol 14, MER Raw Images © 2004 NASA/JPL-Caltech)

Ryc. 10.
Kuleczki, mające przeciętnie średnicę 4 – 5 mm, tłoczą się w setkach na metr kwadratowy.
(sol 32, MER Raw Images © 2004 NASA/JPL-Caltech)

Organiczni uczeni wysłuchali raportu lecz pozostali sceptyczni. Pukali się w czoło i twierdzili, że mechaniczny zbyt pochopnie chce uwodnić przeszłość Marsa – bądź co bądź planety znanej z tego, że jest wysuszoną na piach – powołując się wyłącznie na jakieś żelazne kuleczki i zbyt wiele założeń. Jeżeli miała brać w tym wszystkim udział jakaś woda, to jedynie ta, która zalała mechanicznemu procesory wywołując zwarcia i spięcia, w wyniku których na Ziemię wysyła on komedie a nie raporty naukowe.

ODKRYCIE LODU.

Mechaniczni mieli już dość tych obelg. Trzeba było pilnie znaleźć jakieś argumenty w kształcie maczugi, którą dałoby się zdzielić niedowiarków po ich pustych głowach. Do wystrzelenia zgłosił się więc najdzielniejszy mechaniczny - Phoenix (zob. Wikipedia) - chcąc samotnie kontynuować tragicznie przerwaną misję podbiegunową. Na szczęście pod biegunem wylądował cały i zdrowy. Szybko też znalazł upragnioną maczugę i wybił przeciętnym uczonym głupoty z głowy. Podczas lądowania, silniki hamujące dmuchały ostro w powierzchnię Marsa i w ten sposób rozdmuchały zalegający tamże piach, odsłaniając lite podłoże. Mechaniczny szybko wypatrzył, że podłoże to… to lód. Ale na tym nie poprzestał. Za pomocą łopatki trzymanej w swym mechanicznym ramieniu, odkopał trochę piachu leżącego na powierzchni w innym miejscu i również dokopał się do białego lodu. (Zob. artykuł Mellon i wsp. 2009, pełny tekst dostępny jest za free).

Ryc. 11.
Tafla marsjańskiego lodu pod jedną z nóg Phoneixa.
(PIA10741 © 2008 NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona/Max Planck)

A gdyby jeszcze tego było mało, zaobserwował też śnieg sypiący z marsjańskiego nieba. Inaczej jednak niż na Ziemi, marsjański śnieg nigdy nie docierał do gruntu. Czy był to złośliwy śnieg, co to drażnił się z uczonym i utrudniał mu badania?

Zwykle oczekujemy, że w odpowiednich warunkach przemiany fazowe materii następują w pewnej kolejności: stan stały przechodzi w ciekły, a następnie stan ciekły przechodzi w gazowy. Tu jednak działy się cuda. Płatki śniegu, czyli stan stały ulegał odgazowaniu od razu do postaci pary, bez występowania stanu ciekłego. Mechaniczni uczeni znają to zjawisko, nosi ono nazwę sublimacji. O tym, czy ciało stałe najpierw się stopi a dopiero potem wyparuje, lub od razu wysublimuje bez topienia się, decydują odpowiednie wartości dwóch parametrów: temperatury i ciśnienia. Właściwie większość substancji posiada specyficzne dla siebie wartości temperatury i ciśnienia, przy których takie zjawisko jest dla nich możliwe. Być może ktoś pomyśli, że ciało stałe należałby w tym celu szybko podgrzewać... tymczasem zwykle raczej należałoby je ochładzać i to w bardzo niskim ciśnieniu.

Ale co z tych rozważań wynika? No cóż, najwyraźniej na Marsie panuje taka temperatura i takie ciśnienie, że lód wodny z łatwością sublimuje. To też się działo z lodem, jaki Phoenix odkopał spod warstw zalegającego na nim pyłu. Z czasem lód ten po prostu wysublimował...

Phoenix wybadał też, że znajdujący się tam, z pozoru typowy dla Marsa rdzawy grunt, miejscami pełny jest drobnych kryształków lodu, jak też minerałów uwodnionych, czyli w jakieś części zbudowanych z wody (goethyt, jarosyt, kizeryt, smektyt i kaolinit). Nie chcąc zostawiać żadnego marginesu na kpiny ze strony organicznych uczonych, wziął próbkę gruntu i wsadził ją do pieca, jaki zabrał na Marsa ze sobą. W piecu topił wszystkie znajdujące się w próbce minerały, demonstrując, że z wielu z nich uchodzi para wodna. (Więcej o wynikach badań Phoenixa - zob. artykuł Smith i wsp. 2009).

ODKRYCIE NADCHLORANÓW.

Phoenix ogłosił, że w badanych próbkach gleby odkrył coś jeszcze. Odkrył nadchlorany. (Zob. artykuł Hecht i wsp. 2009). Co prawda już bracia Viking cichutko napominali coś na ten temat, ale organiczni nie chcieli tego słuchać.

Nadchlorany są związkami toksycznymi. Gdyby na Marsa przybyli organiczni astronauci, nie mogliby pić wody zawierającej takie związki. We właściwych warunkach nadchlorany potrafią wyjałowić obszar na którym się znajdują z większości znanych nam drobnoustrojów, jak również zniszczyć wiązania w związkach organicznych. Jeżeli więc nadchloranów jest pełno w marsjańskiej glebie, to czy może w niej istnieć jakiekolwiek życie? Czy w ogóle zachowały się tam jakiekolwiek związki organiczne - o ile kiedykolwiek tam były? Mechaniczny korzystając z potężnych baz danych, zawartych w swych elektronicznych bebechach, częściowo rozgonił najczarniejsze myśli – znalazł, że jednak niektóre drobnoustroje znane na Ziemi, potrafią żyć w środowisku nadchloranów, czerpiąc właśnie z tych związków potrzebne im do życia składniki. Może więc na Marsie, jeśli tylko coś żywego jest w glebie, to może są to takie, nietypowe dla Ziemi żyjątka?

Nadchlorany w wyższej temperaturze niż ziemska pokojowa są związkami bardzo reaktywnymi, są silnymi utleniaczami. Z tego powodu organiczni uczeni wytwarzają je sztucznie i dodają do paliwa rakietowego. Czy to możliwe, aby mechaniczny uczony zanieczyścił obszar, na którym wylądował, nadchloranami z własnego paliwa rakietowego? To właśnie wypominali mu organiczni uczeni z Ziemi.

- Jesteś flejtuch, panie Phoenix! - Tak mu mówili przez radio. - Zabierasz się za takie ważne prace badawcze, tymczasem mogłeś teren Marsa skazić własnymi paprochami, ziemskimi związkami chemicznymi! Jak mamy ci teraz wierzyć? Ile warte są te twoje analizy?

CO DALEJ?

Mechaniczni uczeni uznali, że Mars został przez ich rasę zdobyty. Podczas gdy organiczni szybko znudzili się tym swoim Księżycem, mechaniczni zamierzali metodycznie odkrywać kolejne tajemnice czerwonej planety. Co więcej, znalezienie hematytowych jagód i uwodnionych minerałów rozpalało wyobraźnię. Były to przesłanki, że na Marsie - przynajmniej w niektórych miejscach - woda była na tyle długo, że brała udział w procesach geologicznych. Dlaczego więc nie mogłaby też brać udziału w procesach biologicznych? To rozpalało wyobraźnię mechanicznych, tymczasem organiczni uczeni z nich szydzili, cynicznie przepowiadając rychłe odkrycie skamieniałości marsjańskich dinozaurów.

Oczywiście, widmo zalegających wszędzie nadchloranów budziło grozę. Mechaniczni uczeni lubili badać grunt poprzez wsadzenie go do pieca i topienie. Obecność drobnoustrojów bądź resztek po takowych, można byłoby wówczas wykryć, analizując opary. Ale obecność nadchloranów w próbce gruntu sprawiłaby, że te hipotetyczne drobnoustroje bądź resztki po nich spaliłby się całkowicie i w powstałych po nich oparach można by nie znaleźć tego, czego się szuka.

Ale kpiny i potencjalne trudności przecież nie zatrzymały Krzysztofa Kolumba w porcie. Ciekawość przyszłych odkryć i żądza znalezienia odpowiedzi na intrygujące pytania pchały mechanicznych tam, gdzie inni nigdy nie odważyli się zaglądać. Pojawił się kolejny śmiałek, chcący podjąć marsjańskie wyzwanie. To Curiosity (zob. Wikipedia). Spotykamy się z nim w hrabstwie Brevard na Florydzie, gdy zjawia się w bazie Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych im. Masona Patricka, aby dopiąć ostatnich formalności przed startem. Ktoś przecież musi mu pomóc w wystrzeleniu się w kosmos. Ale to już temat drugiej części...

Ryc. 12.
Marsjańska okolica, którą wędrował Opportunity (jeden z braci MER) mniej więcej w tym samym czasie,
w którym na Ziemi kolejny mechaniczny, Curiosity, szykował się do wystrzału w stronę Marsa.
(sol 2690, MER Raw Images © 2011 NASA/JPL-Caltech)

Przejdź do następnej, drugiej części >>>