在海洋世界的冰冷地壳中探讨生活

(A-C)仪表钻组合视图。(A) Honeybee行星深钻和WATSON DUV测绘光谱仪示意图。人体模型的规模。(B)实际建造的钻头和支架图像。(C) WATSON DUV测绘光谱仪图像。左侧图像显示未覆盖的组件,右侧图像显示井下配置的仪器,保护管已就位。在右中间可以看到光学窗口。DUV deep-ultraviolet;沃森,用于北极冰盖地下观测的电缆分析工具。彩色图片可以在网上找到。

扫描火星岩石以寻找远古生命的微观化石的技术也正在开发中,以在土卫二、土卫六和木卫二的深层冰层中寻找微生物。

早在美国国家航空航天局(NASA)的“毅力”号漫游者于2月18日登陆这颗红色星球之前,它的最高级别任务之一就已经确立:在火星表面寻找古代生命的迹象。事实上,探测器上的科学仪器所使用的技术可以应用到土星的卫星土卫二、土卫六以及木星的卫星木卫二上。

“坚持不懈地寻找矿物质,有机物和其他可以揭示MARS上繁殖的微生物生活的购物清单,”MARS 2020的扫描可居住环境的Luther Beegle扫描居住型有机化和化学品(Sherloc)仪器。“但是谢尔洛克背后的技术将在火星岩石中寻找过去的生活是高度适应性的,也可以用来寻找生命的微生物和在土星和木星的卫星的深层冰中生命的生命的微生物。”

Enceladus,Europa,甚至朦胧的月亮泰坦被认为隐藏含有与其厚冰冷的外部低于生物过程相关的化合物的巨大液体水中 - 来自现代火星的非常不同的环境。如果这些水域存在微生物生活,科学家也可以在冰中找到它的证据。但是如何找到该证据如果它被锁在冰深?

进入Watson。有线分析工具简短,用于北方冰板的地下观察,3.9英尺长(1.2米长)长管状原型正在南加州南部的NASA喷气机推进实验室开发。它已加上蜜蜂机器人的行星深钻,这种组合在格陵兰冰的极端寒冷中成功地测试。

将来有一天,一个更小版本的沃森可能会搭载在机器人任务上,以探索这些神秘卫星的宜居潜力。该仪器将扫描冰层以寻找生物特征——生物过程产生的有机分子。如果它能发现任何冰,未来版本的沃森(具有从钻孔壁收集冰的额外能力)就可以收集样本以供进一步研究。

通过使用深紫外激光拉曼光谱来分析它们被发现的材料,而不是立即检索冰上样品,然后在月球表面上研究它们,仪器将提供科学家通过研究这些样本的其他信息,通过研究它们在上下文中的位置他们的环境。

“如果我们首次研究这些样本在他们的自然环境中实际看起来像在舀出并将它们融化成一个浆料进行测试之前,那就太好了,”汉普·马西斯加,摩克马斯卡·沃森的牵头科学家。“这就是为什么我们在冰冷的环境中开发这种非侵入性仪器:深入了解冰并识别有机化合物的簇 - 甚至可以进行微生物 - 所以在我们进一步分析它们之前,可以研究它们本机背景或修改它们的结构。“

尽管华生使用的手法与《神探夏洛克》中的夏洛克如出一辙,但还是有所不同。首先,SHERLOC将分析火星岩石和沉积物,以寻找过去微生物生命的迹象,这些微生物可以被收集起来,并在未来的任务中返回地球,进行更深入的研究。夏洛克不钻洞。一个单独的工具可以做到这一点。

但两者都依靠深紫色激光仪,并且沃特森冰仪器有一个成像仪观察冰墙中的质地和微粒,持久的Sherloc与高分辨率相机配对,以采取岩石的特写镜像纹理支持其观察。该相机恰好将与冰探测原型分享相同的名称:Watson。但是,在这种情况下,首字母缩略词代表用于运营和工程的广角地形传感器。(毕竟,任何一个名字的文书都鼓舞着着名的虚构侦探Sherlock Holmes,一定会激发他的伴侣的引用。)

恩克拉多斯在地球上

就像夏洛克在去火星之前在地球上做了大量的测试一样,华生在被送往外太阳系之前也必须做大量的测试。为了了解该仪器在土卫二冰冷的外壳和月球极低的温度下可能会如何工作,沃森团队选择格陵兰岛作为“地球模拟区”,在2019年的活动中对该原型进行实地测试。

地球模拟与太阳系中的其他位置共享相似的特征。在格陵兰岛的情况下,岛上冰盖中间的环境和远离海岸的环境接近Enceladus的表面,其中海洋材料从小月亮的多产通风口爆发和下雨。与此同时,格陵兰岛边缘在海岸附近的格陵兰冰川边缘的冰冰可以作为欧罗巴的模拟冰冷的地壳。

沃森绘制了这张荧光图,图上是格陵兰岛冰层深处307.7英尺(93.8米)处的一个钻孔。左边显示的是生物特征的星云状斑点,右边显示的是彩色的版本,将类似的有机化学物质分组在一起。来源:美国国家航空航天局/姓名

在对格陵兰岛山顶站(Summit Station)附近的一个现有钻孔进行探测时,对该仪器进行了测试。当它下降超过330英尺(100米)时,沃森用它的紫外线激光照射冰壁,使一些分子发光。光谱仪随后测量了它们微弱的发光,让研究小组了解它们的结构和组成。

虽然在格陵兰冰袋中发现生物特征并不令人意外——毕竟这些测试是在地球上进行的——但沿着深钻孔壁绘制它们的分布,引发了新的问题:这些特征是如何出现在这里的。研究小组发现,冰层深处的微生物往往聚集成团,而不是像他们最初预期的那样成层。

“我们创建了地图,因为沃森扫描了钻孔的两侧以及蓝调绿色和红色的聚类热点 - 所有代表不同种类的有机材料,”马斯喀斯加说。“对我来说,有趣的是,这些热点的分布几乎是我们看的各地都是如此:无论地图是否在10或100米[33或330英尺]深度,那么这些紧凑的小斑点就在那里。“

通过测量这些热点地区的光谱特征,研究小组确定了与芳香烃(一些可能来源于空气污染)、木质素(帮助植物细胞壁形成的化合物)和其他生物产生的材料(如在土壤中也发现的复杂有机酸)相一致的颜色。此外,该仪器还记录了与微生物群发出的光类似的信号。

还需要做更多的测试——理想情况下,在其他类似地球的地方进行类似于其他冰冻卫星的测试——但沃森对如此广泛的生物特征如此敏感,这让该团队倍受鼓舞。这种高灵敏度在探测海洋世界的任务中非常有用,那里任何潜在生物特征的分布和密度都是未知的,Rohit Bhartia说,WATSON的首席研究员和SHERLOC的副首席研究员,位于加州Covina的光子系统。“如果我们只是随机收集样本,我们可能会错过一些非常有趣的东西,但通过我们的第一次实地测试,我们能够更好地了解陆地冰层中有机物和微生物的分布,这将有助于我们在钻土卫二地壳时帮助我们。”

田间试验结果表明发表在《天体生物学》杂志上在2020年代秋季,12月11日在美国地球物理联盟汇率会议上展示。

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