ภารกิจที่รอคอยมานานซึ่งสามารถเปลี่ยนความเข้าใจของเราเกี่ยวกับดาวอังคาร – Ars Technica

วันที่ 17 มีนาคม 2022 เป็นวันที่ยากลำบากสำหรับ Jorge Vago นักฟิสิกส์ดาวเคราะห์ Vago เป็นหัวหน้าฝ่ายวิทยาศาสตร์ในโครงการ ExoMars ของ European Space Agency ทีมงานของเขาเหลือเวลาเพียงไม่กี่เดือนนับจากการเปิดตัวยานสำรวจดาวอังคารลำแรกของยุโรป ซึ่งเป็นเป้าหมายที่พวกเขาพยายามบรรลุมาเกือบสองทศวรรษ แต่ในวันนั้น ESA ระงับความสัมพันธ์กับหน่วยงานอวกาศของรัสเซียเกี่ยวกับการรุกรานยูเครน การเปิดตัวได้รับการวางแผนสำหรับ Baikonur Cosmodrome ของคาซัคสถานซึ่งรัสเซียเช่า

“พวกเขาบอกเราว่าเราต้องยุติเรื่องทั้งหมด” Vago กล่าว “พวกเราต่างก็โศกเศร้า”

มันเป็นความพ่ายแพ้ที่เจ็บปวดสำหรับโรซาลินด์ แฟรงคลิน โรเวอร์ที่ประสบความลำบาก ซึ่งเดิมได้รับการอนุมัติในปี 2548 ความทุกข์ยากด้านงบประมาณ การเปลี่ยนพันธมิตร ปัญหาทางเทคนิค และการระบาดใหญ่ของโควิด-19 ล้วนทำให้เกิดความล่าช้าก่อนหน้านี้ และตอนนี้ สงคราม “ฉันใช้เวลาส่วนใหญ่ในอาชีพการงานของฉันในการพยายามทำให้สิ่งนี้หลุดจากพื้น” Vago กล่าว สิ่งที่ซับซ้อนขึ้นไปอีก ภารกิจรวมถึงยานลงจอดและเครื่องมือที่ผลิตในรัสเซีย ซึ่งประเทศสมาชิกของ ESA ต้องการเงินทุนเพื่อทดแทน พวกเขาพิจารณาทางเลือกมากมาย รวมทั้งเพียงแค่นำรถแลนด์โรเวอร์ที่ไม่ได้ใช้งานไปไว้ในพิพิธภัณฑ์ แต่แล้วในเดือนพฤศจิกายน เส้นชีวิตก็มาถึง เมื่อรัฐมนตรีด้านการวิจัยของยุโรปให้คำมั่นว่าจะให้เงิน 360 ล้านยูโรเพื่อให้ครอบคลุมค่าใช้จ่ายในการปฏิบัติภารกิจ ซึ่งรวมถึงการเปลี่ยนส่วนประกอบของรัสเซีย

ในที่สุดเมื่อยานโรเวอร์ทำสำเร็จ หวังว่าจะระเบิดในปี 2028 มันจะมีชุดเครื่องมือขั้นสูง—แต่โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เครื่องมือหนึ่งสามารถสร้างผลกระทบทางวิทยาศาสตร์อย่างใหญ่หลวงได้ ออกแบบมาเพื่อวิเคราะห์วัสดุที่มีคาร์บอนซึ่งพบใต้พื้นผิวดาวอังคาร แมสสเปกโตรมิเตอร์รุ่นต่อไปของโรเวอร์คือแกนหลักในการดำเนินกลยุทธ์เพื่อตอบคำถามที่ร้อนแรงที่สุดเกี่ยวกับดาวเคราะห์สีแดง: มีหลักฐานในอดีตหรือปัจจุบันหรือไม่ ชีวิต?

“มีวิธีต่างๆ มากมายที่คุณสามารถค้นหาชีวิตได้” Marshall Seaton นักเคมีเชิงวิเคราะห์ ผู้ร่วมโครงการหลังปริญญาเอกของ NASA ที่ Jet Propulsion Laboratory และผู้ร่วมเขียนบทความเรื่อง การวิเคราะห์ดาวเคราะห์ ในการทบทวนประจำปีของเคมีวิเคราะห์ บางทีเส้นทางที่ชัดเจนและตรงที่สุดก็คือการมองหาจุลินทรีย์ที่กลายเป็นซากดึกดำบรรพ์ แต่ เคมีที่ไม่มีชีวิต สามารถสร้าง โครงสร้างเหมือนจริงที่หลอกลวง. แมสสเปกโตรมิเตอร์จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์มองหารูปแบบโมเลกุลที่ไม่น่าจะเกิดขึ้นได้หากไม่มีชีววิทยาที่มีชีวิต

การตามล่าหารูปแบบของชีวิต แทนที่จะเป็นโครงสร้างหรือโมเลกุลเฉพาะ มีประโยชน์เพิ่มเติมในสภาพแวดล้อมนอกโลก Seaton กล่าว “มันช่วยให้เราไม่เพียงแต่มองหาชีวิตที่เรารู้จักเท่านั้น แต่ยังมองหาชีวิตที่เราไม่รู้อีกด้วย”

บรรจุสำหรับดาวอังคาร

ที่ศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดของ NASA นอกกรุงวอชิงตัน ดี.ซี. นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ วิลเลียม บรินเกอร์ฮอฟฟ์ แสดงต้นแบบของแมสสเปกโตรมิเตอร์ของยานโรเวอร์ หรือที่เรียกว่า Mars Organic Molecule Analyzer หรือ MOMA ขนาดประมาณกระเป๋าเดินทางพกพา เครื่องดนตรีเป็นเขาวงกตของสายไฟและโลหะ “มันเป็นม้าหมุนจริงๆ” Brinkerhoff กล่าวขณะที่ Xiang Li นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ ซึ่งเป็นเพื่อนร่วมงานของเขา ปรับสกรูบนต้นแบบก่อนที่จะสาธิตม้าหมุนที่เก็บตัวอย่าง

ต้นแบบการทำงานนี้ใช้เพื่อวิเคราะห์โมเลกุลอินทรีย์ในดินที่มีลักษณะคล้ายดาวอังคารบนโลก และเมื่อ MOMA ตัวจริงไปถึงดาวอังคารแล้ว ประมาณปี 2030 Brinkerhoff และเพื่อนร่วมงานจะใช้ต้นแบบ—รวมถึงสำเนาที่เก่าแก่ที่เก็บไว้ในสภาพแวดล้อมเหมือนดาวอังคารที่ NASA เพื่อทดสอบการปรับแต่งโปรโตคอลทดลอง แก้ไขปัญหาที่เกิดขึ้น ระหว่างปฏิบัติภารกิจและอำนวยความสะดวกในการตีความข้อมูลของดาวอังคาร

แมสสเปกโตรมิเตอร์รุ่นล่าสุดนี้สามารถสืบย้อนไปถึงรากเหง้าของมันได้ เกือบ 50 ปีสู่ภารกิจแรกที่ศึกษาดินบนดาวอังคาร สำหรับยานลงจอดไวกิ้งแฝดปี 1976 วิศวกรได้ย่อขนาดแมสสเปกโตรมิเตอร์ขนาดห้องให้เล็กลงจนมีขนาดใกล้เคียงกับเครื่องพิมพ์ตั้งโต๊ะในปัจจุบัน เครื่องมือเหล่านี้ยังอยู่บนยานลงจอดฟีนิกซ์ปี 2008 รถแลนด์โรเวอร์คิวริออซิตีปี 2012 และยานโคจรรอบดาวอังคารในเวลาต่อมาจากจีน อินเดีย และสหรัฐฯ

ใครก็ตามที่เข้าชมต้นแบบของบริงเกอร์ฮอฟฟ์จะต้องผ่านตู้จัดแสดงพร้อมสำเนาเครื่องดนตรีไวกิ้งที่ถอดประกอบแล้วซึ่งยืมมาจากสถาบันสมิธโซเนียนก่อน “นี่เป็นเหมือนสมบัติของชาติ” บริงเกอร์ฮอฟฟ์กล่าวพร้อมชี้ให้เห็นองค์ประกอบต่างๆ อย่างกระตือรือร้น

แมสสเปกโตรมิเตอร์เป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้ซึ่งใช้สำหรับเคมีวิเคราะห์ในห้องปฏิบัติการและโรงงานอื่นๆ ทั่วโลก ตัวแทน TSA ใช้พวกเขาในการทดสอบกระเป๋าเดินทางสำหรับวัตถุระเบิดที่สนามบิน นักวิทยาศาสตร์ของ EPA ใช้เพื่อทดสอบน้ำดื่มเพื่อหาสารปนเปื้อน และผู้ผลิตยาใช้มันเพื่อกำหนดโครงสร้างทางเคมีของยาใหม่ที่มีศักยภาพ

มีแมสสเปกโตรมิเตอร์หลายชนิด แต่แต่ละชนิด “เป็นเครื่องมือสามส่วน” Devin Swiner นักเคมีเชิงวิเคราะห์ของบริษัทยา Merck อธิบาย ขั้นแรก อุปกรณ์จะระเหยโมเลกุลเข้าสู่เฟสของก๊าซ และยังให้ประจุไฟฟ้าแก่พวกมันด้วย จากนั้นโมเลกุลของก๊าซที่มีประจุหรือแตกตัวเป็นไอออนสามารถถูกควบคุมด้วยสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก เพื่อให้พวกมันเคลื่อนที่ผ่านเครื่องมือ

ประการที่สอง เครื่องมือจะแยกประเภทไอออนตามการวัดที่นักวิทยาศาสตร์สามารถเชื่อมโยงกับน้ำหนักโมเลกุล ดังนั้นพวกเขาจึงสามารถกำหนดจำนวนและประเภทของอะตอมในโมเลกุลได้ ประการที่สาม เครื่องมือจะบันทึก “น้ำหนัก” ทั้งหมดในตัวอย่างพร้อมกับความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์

เมื่อ MOMA อยู่บนเรือ รถโรเวอร์โรซาลินด์ แฟรงคลินจะลงจอดที่ไซต์บนดาวอังคารซึ่งน่าจะมีน้ำเมื่อประมาณ 4 พันล้านปีก่อน ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญสำหรับสิ่งมีชีวิตในสมัยโบราณ กล้องโรเวอร์และเครื่องมืออื่นๆ จะช่วยเลือกตัวอย่างและให้บริบทเกี่ยวกับสภาพแวดล้อม การเจาะจะดึงตัวอย่างโบราณจากความลึกถึงสองเมตร นักวิทยาศาสตร์ตั้งสมมติฐานว่าไกลพอแล้ว Vago กล่าว ที่จะได้รับการปกป้องจากรังสีคอสมิกบนดาวอังคารที่ทำให้โมเลกุลแตกตัว “เหมือนมีดเล็กๆ นับล้านเล่ม”

แมสสเปกโตรมิเตอร์ที่ใช้ขอบเขตอวกาศต้องมีความทนทานและน้ำหนักเบา แมสสเปกโตรมิเตอร์ที่มีความสามารถของ MOMA มักจะใช้พื้นที่ทำงานหลายโต๊ะ แต่มันถูกลดขนาดลงอย่างมาก Swiner กล่าวว่า “การสามารถนำสิ่งของที่มีขนาดใหญ่เท่ากับห้องขนาดเท่าเครื่องปิ้งขนมปังหรือกระเป๋าเดินทางใบเล็กๆ ขึ้นสู่อวกาศได้นั้นถือเป็นเรื่องใหญ่มาก”

หน้าตาของชีวิต

MOMA จะช่วยนักวิทยาศาสตร์ค้นหาสัญญาณของสิ่งมีชีวิตบนดาวอังคารโดยการกรองผ่านโมเลกุลเพื่อค้นหารูปแบบที่ไม่น่าจะเกิดขึ้นด้วยวิธีอื่นใด ตัวอย่างเช่น ลิพิด—สารประกอบที่รวมถึงหน่วยการสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์—มีจำนวนอะตอมของคาร์บอนเป็นเลขคู่ในสิ่งมีชีวิตเกือบทุกชนิด ในขณะที่เคมีที่ไม่มีชีวิตก่อให้เกิดส่วนผสมของอะตอมของคาร์บอนที่เป็นเลขคู่และเลขคี่ที่เท่ากันมากกว่า การค้นหาชุดของลิพิดที่มีอะตอมของคาร์บอนที่มีจำนวนหลายเท่า แทนที่จะเป็นชุดแบบสุ่ม ถือเป็นสัญญาณบ่งบอกถึงสิ่งมีชีวิต

ในทำนองเดียวกัน กรดอะมิโน—ส่วนประกอบสำคัญของโปรตีน—สามารถสร้างขึ้นได้ด้วยชีวิตหรือโดยเคมีที่ไม่ใช่ชีวภาพ พวกเขามาในสองรูปแบบที่เป็นภาพสะท้อนของกันและกัน แต่มีลักษณะเหมือนกันเช่นมือซ้ายและขวา บนโลกนี้ สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ประกอบด้วยกรดอะมิโนที่ถนัดซ้ายเท่านั้น เคมีที่ไม่มีชีวิตทำให้ทั้งคนถนัดซ้ายและขวามีความหลากหลาย กล่าวอีกนัยหนึ่ง กรดอะมิโนทางซ้ายหรือทางขวาที่มากเกินไปจะมีชีวิตชีวามากกว่าการผสมที่สม่ำเสมอกว่า

โดยทั่วไปแล้ว นักวิทยาศาสตร์คิดว่าการกระจายตัวของสารเคมีที่คล้ายกับสิ่งเหล่านี้จะบ่งบอกถึงสิ่งมีชีวิต แม้ว่าโมเลกุลที่แสดงรูปแบบดังกล่าวจะไม่มีอยู่ในชีวเคมีของโลกก็ตาม

ภารกิจบนดาวอังคารก่อนหน้านี้ซึ่งรวมถึงเครื่องสเปกโตรมิเตอร์จำนวนมากประสบปัญหาที่ขัดขวางความสามารถในการระบุสัญญาณของสิ่งมีชีวิต นักวิทยาศาสตร์ใช้บทเรียนที่ได้มาอย่างยากลำบากเหล่านั้นและออกแบบ MOMA เพื่อเอาชนะอุปสรรคเหล่านั้น รวมถึงหนึ่งในอุปสรรค์ที่หนักใจที่สุด: สารทำลายโมเลกุลชื่อดังอย่างเปอร์คลอเรต เปอร์คลอเรตซึ่งปรากฏขึ้นในสภาพแวดล้อมของโลกที่รุนแรงเช่นอเมริกาใต้ ทะเลทรายอาทาคามาสามารถย่อยสลายโมเลกุลของสารอินทรีย์ที่อุณหภูมิสูง บดบังสัญญาณของสิ่งมีชีวิต

ในปี 2008 ยานอวกาศ Mars Phoenix ค้นพบเปอร์คลอเรตไอออนในดินดาวอังคาร อีกสองภารกิจคือยานลงจอดไวกิ้งและยานสำรวจคิวริออซิตี ตรวจพบคลอรีนไฮโดรคาร์บอน ซึ่งเป็นผลพลอยได้ของเปอร์คลอเรตที่ทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของดาวอังคารในเตาอบอุณหภูมิสูงของแมสสเปกโตรมิเตอร์ ซึ่งหมายความว่าเปอร์คลอเรตอาจบดบังหลักฐานของโมเลกุลอินทรีย์ที่อาจบ่งบอกถึงชีวิต

MOMA หลีกเลี่ยงปัญหาเปอร์คลอเรตอย่างชาญฉลาดด้วยเลเซอร์อัลตราไวโอเลต เลเซอร์ ทำให้ตัวอย่างกลายเป็นไอและไอออไนซ์ในคราวเดียวด้วยจังหวะของแสงที่กินเวลาน้อยกว่าสองนาโนวินาที—เร็วเกินไปสำหรับปฏิกิริยาเปอร์คลอเรตที่จะเกิดขึ้น

เลเซอร์มีประโยชน์อีกอย่าง: มันทำให้โมเลกุลส่วนใหญ่ไม่เสียหายเมื่อให้ประจุเพื่อสร้างไอออน ไวกิ้งและคิวริออซิตีสร้างไอออนโดยการยิงอิเลคตรอนใส่พวกมัน การชนกันเหล่านี้ไม่ได้รักษาพันธะเคมีที่อ่อนแอซึ่งอาจมีความสำคัญต่อการกำหนดโครงสร้างของโมเลกุลในตัวอย่าง ในขณะที่เลเซอร์จะลดการกระจายตัวของโมเลกุลให้น้อยที่สุด จากนั้น MOMA สามารถจัดเรียงไอออนที่ค่อนข้างไม่บุบสลายเหล่านั้นและจงใจแยกไอออนที่สนใจให้แยกออกจากกัน ซึ่งเป็นสิ่งที่ไวกิ้งและคิวริออซิตีไม่สามารถทำได้ ด้วยการวิเคราะห์ชิ้นส่วนปริศนาที่เป็นผลลัพธ์ของไอออนนั้น จึงเป็นไปได้ที่จะระบุโครงสร้างทางเคมีของโมเลกุลดั้งเดิมจากตัวอย่างบนดาวอังคาร และระบุได้ว่ามันคือตัวอะไร

จะเป็นครั้งแรกที่เทคนิคเลเซอร์นี้ส่งไปยังดาวอังคาร แต่การทดสอบบนโลกแนะนำว่าวิธีนี้ใช้ได้ผล เครื่องต้นแบบพบร่องรอยของโมเลกุลอินทรีย์แม้ว่าจะมีเปอร์คลอเรตมากกว่าฟีนิกซ์ที่ตรวจพบในดินดาวอังคารก็ตาม Brinckerhoff กล่าว และในตัวอย่างคล้ายดาวอังคารที่เก็บได้ในอุทยานแห่งชาติเยลโลว์สโตน ตรวจพบไขมัน และโมเลกุลอื่นๆ ที่ซับซ้อนกว่าที่ค้นพบในภารกิจดาวอังคารครั้งก่อนๆ

MOMA ก็มีอุณหภูมิสูงเช่นเดียวกับรุ่นก่อน เตาอบ และนักวิทยาศาสตร์ยังสามารถเลือกใช้สิ่งเหล่านี้แทนเลเซอร์เพื่อทำให้ตัวอย่างกลายเป็นไอได้ หากเลเซอร์แสดงคำแนะนำของกรดอะมิโน ตัวอย่างเช่น ตัวเลือกเตาอบอาจให้ข้อมูลที่เลเซอร์ทำไม่ได้ เมื่ออยู่ในโหมดเตาอบ MOMA จะใช้รีเอเจนต์เคมีสามตัวที่ทำให้โมเลกุลเสถียรเพื่ออำนวยความสะดวกในการตรวจมวลสาร หนึ่งในนั้นซึ่งไม่เคยมีใช้มาก่อนบนดาวอังคาร คือมีไว้เพื่อแยกกรดอะมิโนสำหรับคนถนัดซ้ายและขวา ทำให้สามารถระบุแหล่งกำเนิดที่มีชีวิตหรือไม่มีชีวิตในแบบที่ภารกิจก่อนหน้านี้ไม่สามารถทำได้

MOMA จะไม่ใช่คำพูดสุดท้ายว่าชีวิตเคยมีอยู่บนดาวอังคารหรือไม่ แม้แต่ผลลัพธ์ที่ยั่วเย้าที่สุดก็จะต้องได้รับการยืนยันโดยการทดลองซ้ำๆ และหลักฐานต่างๆ จากเครื่องมืออื่นๆ ของโรเวอร์ Vago กล่าว งานยืนยันบางอย่างอาจเกิดขึ้นผ่านภารกิจอื่นหรือแม้แต่สักวันหนึ่งจากการวิเคราะห์ตัวอย่างดาวอังคารที่นำกลับมายังโลก “เราจะต้องสร้างคดี เพราะไม่เช่นนั้นจะไม่มีใครเชื่อเรา” Vago กล่าว

ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติที่ได้ปฏิบัติภารกิจนี้ รู้ว่าพวกเขาต้องการอะไรในการสร้างกรณีนั้นแต่ก่อนที่โรซาลินด์ แฟรงคลิน โรเวอร์จะลงจอดบนพื้นผิวดาวแดง พวกเขาก็ไม่สามารถเริ่มต้นได้ นักวิทยาศาสตร์ทั้งหมดแบ่งปันความผิดหวังในเดือนมีนาคม 2022 ที่เห็นภารกิจที่ยืดเยื้อมานานล่าช้าออกไปอีกครั้ง

แต่สำหรับบริงเกอร์ฮอฟฟ์ ความผิดหวังนั้นถูกกลั่นกรองด้วยความตื่นเต้น ท้ายที่สุดแล้ว ภารกิจยังคงอยู่ “สิ่งนี้คือสิ่งที่ดีที่สุดสำหรับพวกเราทุกคน” เขากล่าว “และแค่ได้เห็นมันทำงานบนดาวอังคารก็จะกลายเป็นเรื่องยุ่งยากในอาชีพการงาน”

นิตยสาร Knowable, 2023. DOI: 10.1146/knowable-050323-1 (เกี่ยวกับ อย).

คาร์เมน ดราห์ล เป็นนักข่าวและบรรณาธิการอิสระในวอชิงตัน ดี.ซี. ค้นหาผลงานของเธอได้ที่ carmendrahl.com และติดตามเธอทาง Twitter หรือ Mastodon @carmendrahl

บทความนี้เดิมปรากฏใน นิตยสารน่ารู้ความพยายามของนักข่าวอิสระจาก Annual Review ลงทะเบียนสำหรับ จดหมายข่าว.