Ongeveer één miljoen jaar geleden sloeg een asteroïde in op het gewoonlijk zo stille oppervlak van Mars. De inslag veroorzaakte een enorme puinregen, waarbij sommige fragmenten zóver de ijle Martiaanse atmosfeer in werden geschoten dat ze aan de zwaartekracht van de planeet ontsnapten en aan een lange reis door het zonnestelsel begonnen.
Uiteindelijk kwamen enkele van deze rotsblokken in de buurt van de aarde terecht, overleefden de vurige val door onze atmosfeer en stortten op aarde neer. Tot de fragmenten behoort ook een flinke steen van bijna zeven kilo, die in 2011 in Marokko insloeg. Deze zeer zeldzame groep van zo’n vijftien ‘verarmde shergottieten’ vormen een fascinerend deel van de in totaal 317 Martiaanse meteorieten die tot nu toe zijn gevonden, het enige materiaal van de planeet Mars dat we hier op aarde hebben.
Het vaststellen van de precieze herkomst van deze meteorieten is een belangrijk onderdeel van het streven om de geschiedenis van de Rode Planeet te reconstrueren – en een lastige wetenschappelijke uitdaging. Met behulp van een computerprogramma voor machinaal leren waarmee kleine, secondaire kraters op Mars worden geteld, hebben wetenschappers die onderzoek naar deze verarmde shergottieten doen nu een doorbraak bereikt: ze zijn tot de conclusie gekomen dat de geologische projectielen afkomstig zijn uit één enkele krater binnen de regio Tharsis, het grootste vulkaansysteem in het zonnestelsel.
Dit reusachtige vulkanische plateau op Mars omvat duizenden afzonderlijke vulkanen en beslaat een totale oppervlakte die driemaal zo groot is als de continentale VS. Het systeem werd in de loop van miljarden jaren door ontelbare opwellingen van magma en vulkaanuitbarstingen opgebouwd. Het hele plateau is zó zwaar dat de rotatie-as van de Rode Planeet tijdens het ontstaan van Tharsis zo’n twintig graden is gekanteld.
Als de bewuste meteorieten inderdaad van Tharsis afkomstig zijn, zoals wordt beschreven in een nieuwe analyse die in het tijdschrift Nature Communications is verschenen, dan kunnen wetenschappers aan de hand van dit materiaal de krachten berekenen die tot de opbouw van het kolossale plateau hebben geleid.
“Deze ontdekking kan ons hele inzicht in het verleden van Mars veranderen,” zegt Luke Daly, een meteorietexpert van de University of Glasgow die niet bij de nieuwe studie was betrokken.
Aanwijzingen in meteorieten
De meeste Martiaanse meteorieten behoren tot een categorie ruimtestenen die ‘shergottieten’ worden genoemd, naar de Indiase stad Sherghati, waar de eerste van dit type meteorieten in 1865 werd gevonden. De meeste shergottieten hebben vrijwel allemaal dezelfde vulkanische samenstelling, maar een klein deel ervan, de ‘verarmde’ shergottieten, vertonen een afwijkende chemische handtekening.
Op Mars hechten bepaalde mineralen, zoals neodymium en lanthanium, zich niet eenvoudig aan mineralen in de Martiaanse mantel, de vaste maar kneedbare schil van gesteente die direct onder de korst van de planeet ligt. Verarmde shergottieten zijn zeer arm aan de genoemde twee elementen (vandaar de aanduiding), wat erop duidt dat ze uit de mantel van de Rode Planeet afkomstig moeten zijn.
Maar als deze stenen bij een inslag van een asteroïde de ruimte in zijn geslingerd, dan moeten ze zich relatief dicht onder de oppervlakte van Mars hebben bevonden, dus in de korst van de planeet, niet in de mantel.Op aarde kan mantelgesteente op twee manieren naar de oppervlakte worden gebracht: als twee tektonische platen uit elkaar bewegen, waardoor de onderliggende mantel kan opstijgen, of als een bel van extreem heet mantelgesteente – een mantelpluim – uit de ondermantel opstijgt. Op Mars lijkt er nooit sprake te zijn geweest van enige vorm van tektoniek, dus is een mantelpluim het meest waarschijnlijke scenario.
Op basis van het radioactieve verval van specifieke elementen in de meteorieten weten onderzoekers ook dat dit gesteente is uitgestoten tijdens een relatief recente vulkanische uitbarsting en afkomstig moet zijn uit gestolde lava-afzettingen.
Als alle verarmde shergottieten door toedoen van één enkele inslag de ruimte in zijn geslingerd, dan moet dat een hevige inslag zijn geweest, die op z’n minst een krater van ruim drie kilometer doorsnede (of mogelijk nog veel groter) moet hebben veroorzaakt. Omdat de meteorieten na de inslag lange tijd door de ruimte hebben gezweefd en hun buitenkant in die periode door een bombardement van kosmische straling is veranderd, kan tamelijk precies worden berekend wanneer ze de ruimte in zijn geslingerd: namelijk 1,1 miljoen jaar geleden.
Maar zelfs met deze aanwijzingen is het uiterst lastig om de herkomst van deze kleine Martiaanse fragmenten precies te bepalen. Ze lijken op losse puzzelstukjes die zonder de rest van de puzzel zijn gevonden. De onderzoekers weten niet hoe de omstandigheden op de oorspronkelijke locatie eruit moeten hebben gezien, waardoor het vrijwel onmogelijk is om de stenen met een bepaalde locatie op Mars in verband te brengen.
“Als geologen leggen we bij het nemen van gesteentemonsters altijd grote hoeveelheden gegevens vast, want de context waarin we stenen vinden, is heel belangrijk,” zegt Áine O’Brien, een doctoraalstudente die aan de University of Glasgow onderzoek doet naar Martiaanse meteorieten en niet bij de nieuwe studie was betrokken. “Maar omdat we die context in het geval van Martiaanse meteorieten niet kennen, moeten we speculeren over de omstandigheden waarin ze zijn ontstaan.”
Om die speculatie zo accuraat mogelijk te maken hebben de onderzoekers hun toevlucht genomen tot een nieuw werktuig in de gereedschapskist van de planetologie: machinaal leren.
Eén op miljoenen...
De enige manier om precies vast te stellen hoe oud het gesteente op een bepaalde plek van een planeet is, is door een gesteentemonster te nemen en de radioactieve elementen erin te analyseren. Tijdens de Mars Sample Return-missie, een gezamenlijk project van de NASA en de ESA, zal een kleine hoeveelheid gesteente van Mars worden opgehaald en voor onderzoek naar de aarde worden gebracht, maar dat zal pas in de jaren dertig van deze eeuw gebeuren. Tot die tijd zit er voor onderzoekers van Martiaanse meteorieten niets anders op dan... het tellen van kraters.
Op aarde slijten kraters van oude inslagen al snel weg door de inwerking van de wind, stromend water, vulkaanuitbarstingen en een overvloed aan levende organismen. Maar Mars is in geologisch opzicht een versteende wereld, waarin wind en water geen rol meer spelen. Op Mars blijven kraters van enige omvang daardoor honderden miljoenen of zelfs miljarden jaren intact. Omdat ongeveer bekend is hoeveelheid inslagen zich in de loop der tijd op de Rode Planeet hebben voorgedaan, kunnen wetenschappers aan de hand van de dichtheid van het aantal kraters in een bepaald gebied bepalen hoe oud het gesteente in dat gebied is.
Met andere technieken kunnen ze de ouderdom van één specifieke krater bepalen. “Als een asteroïde op Mars inslaat, wordt er heel wat materiaal opgeworpen,” zegt Anthony Lagain, planetair geoloog aan de Curtin University in het Australische Perth en hoofdauteur van de nieuwe studie. De brokken steen die weer op het oppervlak van Mars terugvallen, veroorzaken daarbij kleine, secondaire kratertjes rond de hoofdkrater. Zelfs op Mars slijten deze kleinere secondaire kratertjes in de loop van miljoenen jaren door de invloed van de ijle Martiaanse atmosfeer weg, dus moet een grotere krater die nog wordt omringd door secondaire kraters zeer recent in de geschiedenis van de planeet zijn gevormd.
“Om een idee te krijgen van de ouderdom, moet je steeds kleinere kraters gaan tellen,” zegt Gretchen Benedix, astrogeologe aan de Curtin University en medeauteur van de nieuwe studie. Kleinere inslagen komen vaker voor dan grotere, dus kun je kleine verschillen in het aantal secondaire inslagen in twee verschillende gebieden gebruiken om gedetailleerdere tijdlijnen uit te werken.
Om vast te stellen dat een krater precies 1,1 miljoen jaar oud is, moest het team de ontelbare hoeveelheid kleinere kratertjes op Mars in kaart brengen en aan de hand van hun aantallen de ouderdom van verschillende oppervlakken op de Rode Planeet bepalen. Normaliter is dat een monnikenwerk, maar in plaats daarvan maakten de onderzoekers gebruik van satellietgegevens die afkomstig zijn van sondes in een omloopbaan rond Mars. De gegevens werden ingevoerd in een programma voor machinaal leren, waardoor kratertjes met een doorsnede van minder dan één kilometer konden worden geselecteerd.
Volgens Kosta Servis, informaticus aan de Curtin University en medeauteur van de nieuwe studie, spoorde het programma in korte tijd negentig miljoen kratertjes op. Aan de hand van de tijdlijnen die daaruit konden worden afgeleid, kon het team de mogelijke oorsprong van de verarmde shergottieten herleiden tot een kleine groep hoofdkraters.
Vulkanische kolos
Nadat ze de gegevens hadden doorgeplozen, identificeerden de leden van het team negentien grote kraters in vulkanische regio’s op Mars die werden omringd door talloze secondaire kratertjes – een teken dat deze planetaire littekens mogelijk niet ouder waren dan de 1,1 miljoen jaar oude krater die ze zochten. Met behulp van de catalogus van negentig miljoen kratertjes konden de onderzoekers vervolgens de puinregens dateren die door de grotere kraters waren veroorzaakt, waardoor de ouderdom van de grotere kraters nauwkeuriger kon worden bepaald.
Enkele kraters hadden de juiste ouderdom, maar dat was niet genoeg. De ontstaansperiode van het omringende gebied moest ook samenvallen met de ouderdom van de mineralen die in de meteorieten waren aangetroffen. Opnieuw gebruikte het team de catalogus van kleine kraters om de ouderdom van de omringende vulkanische plateaus te dateren.
Slechts twee van de negentien geïdentificeerde kraters waren 1,1 miljoen jaar geleden bij een inslag in relatief recent vulkanisch gesteente ontstaan: krater 09-00015 en de krater Tooting. De laatste krater (vernoemd naar een wijk in Londen) moet zijn gevormd door een zware inslag waarbij een asteroïde het Martiaanse oppervlak in een hoek heeft geraakt – het type inslag waarbij veel Martiaanse meteorieten de ruimte in geslingerd zouden zijn.
“Bij de Tooting-krater vinden we een bijzonder soort ejecta in meerdere lagen, die erop wijzen dat er ten tijde van de inslag ijs of water is opgeworpen,” zegt Peter Grindrod, een planetoloog van het Natural History Museum in Londen die niet bij het nieuwe onderzoek was betrokken. Uit computersimulaties van de inslag bleek dat de aanwezigheid van water en ijs tot een omvangrijker puinregen leidde, waarbij talloze fragmenten voldoende snelheid ontwikkelden om aan de zwaartekracht van de planeet te ontsnappen en de ruimte in te worden gekatapulteerd.
Dankzij al deze aanwijzingen kon het team de krater Tooting, met een doorsnede van dertig kilometer, identificeren als de belangrijkste kandidaat voor de herkomst van de verarmde shergottieten. “De argumentatie is zeer goed opgebouwd,” zegt Daly. “Alles lijkt te kloppen.”
De wetenschappers hebben krater 09-00015 nog niet helemaal uitgesloten, maar het belangrijkste is dat beide kraters “in de regio Tharsis liggen, waar een reusachtige hotspot of ‘superpluim’ in de mantel van Mars een kolossale bult op het Martiaanse oppervlak heeft gecreëerd,” zegt Grindrod. Los van de vraag welke van de twee kraters de bron van de meteorieten is geweest, kunnen deze brokken steen ons veel vertellen over het ontstaan van het grootste vulkanische plateau in het zonnestelsel.
Eerder al was uit het tellen van secondaire kraters gebleken dat sommige vulkanische regio’s binnen Tharsis meer dan 3,7 miljard jaar geleden zijn ontstaan, maar de verarmde shergottieten zijn slechts een paar honderd miljoen jaar oud. Dat betekent dat de superpluim onder het Tharsis-plateau bijna zo oud is als de Rode Planeet zelf en dat in dit gebied nog altijd magma opwelde toen andere vulkanische regio’s op Mars al lang tot rust waren gekomen.
Net als mantelpluimen in de aardmantel hebben magmapluimen in de Martiaanse mantel de wording van die planeet sterk beïnvloed: de reusachtige hoeveelheden lava die in deze regio werden uitgestoten, brachten enorme veranderingen in de Martiaanse atmosfeer en topografie met zich mee. De Tharsis-superpluim kan gedurende vrijwel de hele geologische geschiedenis van Mars een beslissende rol in de ontwikkeling van de Rode Planeet hebben gehad.
De dagen van geregelde en omvangrijke vulkanische activiteit op Mars zijn al lang voorbij. Maar het langdurige vulkanisme in de Tharsis-regio onderstreept nog eens het idee dat zelfs kleinere planeten (die hun interne hitte snel zouden moeten kwijtraken) veel langer vulkanisch actief blijven dan voorheen werd aangenomen.
Kraters van andere werelden
Aangemoedigd door de ontdekking, hoopt het team van Lagain nu ook de herkomst te kunnen bepalen van andere Martiaanse meteorieten, waaronder enkele van de oudste van deze stukken ruimtepuin, die ons mogelijk meer over het waterrijke verleden van Mars kunnen vertellen.
Maar toekomstige ontdekkingen en ook de gevolgtrekkingen uit dit onderzoek zullen afhangen van de vraag of het gebruikte computerprogramma voor machinaal leren de secondaire kraters op de juiste manier heeft geteld. Het tellen van secondaire kraters is namelijk een methode met talloze haken en ogen: zo berust het gemiddeld aantal inslagen op Mars op een schatting en zou het programma om de tuin geleid kunnen worden door kleine cirkelvormige kenmerken in het Martiaanse landschap die veel op kratertjes lijken.
Machinaal leren “is werkelijk een zeer vindingrijke manier om dit probleem op te lossen,” zegt Lauren Jozwiak, een planetair vulkanologe van het Applied Physics Laboratory van de Johns Hopkins University die niet bij de nieuwe studie was betrokken. “Man, ik hoop echt dat deze methode werkt,” zegt zij. In dat geval zou het namelijk “heel erg cool zijn om deze techniek ook toe te passen op andere planeten.”
De auteurs van de studie zijn het daarmee eens. “Mars is superinteressant, maar dit algoritme en deze methode zijn niet alleen van toepassing op Mars. Ze zullen ook op de maan werken. En op Mercurius.”
Als blijkt dat het aloude raadsel van de herkomst van de Martiaanse meteorieten inderdaad met behulp van machinaal leren is opgelost, effent dat de weg voor talloze onverhoopte mogelijkheden. “De toepassing van machinaal leren in de planetologie heeft consequenties die we waarschijnlijk nog niet goed kunnen overzien,” zegt Grindrod.
Dit aritkel werd oorspronkelijk gepubliceerd in het Engels op nationalgeographic.com
