Mars-sonden “Curiosity” til Gale-krateret

Mars-sonden “Curiosity” til Gale-krateret
Hvad er nyt under Solen? – og lidt om danske bidrag
Morten Bo Madsen, Astrofysik og Planetforskning, Niels Bohr Institutet
NOVA, 2012-03-06
1

Først lidt historie:
Viking-missionerne havde til formål at lede efter liv på MARS
• NASA's Viking-missioner i 70'erne viste at det ikke
er “ligetil” at finde liv på Mars:
• 3 ud af 4 biologi-eksperimenter: “+”, et: “–”!
• Kun spor af organisk kemi …
• Mars-jord kraftigt oxyderende (mere herom
senere)
• Derfor har både NASA og ESA sidenhen grebet
tingene mere systematisk til værks ...

Først lidt historie:
Viking-missionerne havde til formål at lede efter liv på MARS
• NASA's Viking-missioner i 70'erne viste at det ikke
er “ligetil” at finde liv på Mars:
• 3 ud af 4 biologi-eksperimenter: “+”, et: “–”!
• Kun spor af organisk kemi …
• Mars-jord kraftigt oxyderende (mere herom
senere)
• Derfor har både NASA og ESA sidenhen grebet
tingene mere systematisk til værks ...
Søren E. Larsen fra DTU’s
vestlige filial (dengang Risø
Nationallaboratorium)
studerede vind på Mars på
denne mission.

Med inspiration fra Viking foreslog Jens Martin Knudsen en række magneteksperimenter
– disse fløj første gang på Mars Pathfinder
Image credits / permission:
University of Arizona , NASA, JPL and the Niels Bohr Institute
Mars Pathfinder 1997
Imager for Mars Pathfinder (IMP) Logo
Credits / permission: University of Arizona

Mars Pathfinder magnet-eksperimenter
Resultater:
Gennemsnitlig mætningsmagnetisering af indfanget støv 1-6 Am 2 kg -1
Partiklerne er sammensatte af individuelle mineral-korn
og sandsynligvis dannet i vand
Image credits / permission:
Niels Bohr Institute, University of Arizona and NASA, JPL

”Magnetic Properties Experiments” på Spirit og Opportunity
(2004 – 2010 and 2004 - ?)
Rovernes elforsyning kommer fra solceller
Robotarm med “Mikroskop”,
Slibeværktøj (med magneter)
Mössbauer spektrometer og grundstofanalysator
Image credits / permission:
NASA, JPL, Niels Bohr Institute, Cornell University and Honeybee Robotics, New York.
A010 A416
A417 A711
Bemærk:
Det radiometriske kalibreringstarget
støver mere og mere til, men
et sted forbliver relativt rent
Dette førte til en invitation til deltagelse i
NASA’s næste mission til Mars-overfladen:
Phoenix
6

Det luftbårne støv indfanget på magneterne flytter omkring
som vinden blæser – her Opportunity
B-180 B-310 B-553 B-620 B-1072
Mikroskop-billede af
Opportunity's
capture magnet
sol 337
Image and data credits / permission:
NASA, JPL, Niels Bohr Institute, Mainz University and Cornell University
Mössbauer spektrum af støv på
Opportunity's capture magnet, sol 328 - 330

Det er denne højt oxyderede jern-holdige komponent
– i mangel af bedre viden kaldt ”nano-phase oxide” –
vi har foreslået at undersøge nærmere ved hjælp af
instrumenterne om bord på MSL.
Mere herom senere …
Der var jo andre formål med roverne end lige at studere magnetisk støv ;-)
Image credits / permission:
NASA, JPL
8

Spirit i Gusev krater Opportunity på Meridiani-sletten
Image and data credits / permission:
NASA, JPL, Arizona State University, MIT, Washington University
[Christensen et al., 2001]
hematit-signal i TES-spektre

Spirit i Gusev krater Opportunity på Meridiani-sletten
Image and data credits / permission:
NASA, JPL, Mainz University, USGS, and Cornell University

Eksempler på udnyttelse af Pancam’s spektroskopi
Image and data credits / permission:
William Farrand,
Space Sci. Inst. Boulder
NASA, JPL, and Cornell University

Opportunity på Meridiani-sletten
”Empty” og ”Berrybowl”
Image and data credits / permission:
NASA, JPL, Mainz University and Cornell University
12

Spirit i Gusev krater
Clovis (Gusev, Mars)
Image and data credits / permission:
NASA, JPL, Mainz University and Cornell University
13

Phoenix Mars Lander (2008) – en faststående lander med robotarm
Image credits / permission:
Lockheed Martin, Niels Bohr Institute, University of Arizona, and NASA, JPL
Billedet viser en af tre radiometriske
kalibreringstargets (“caltargets”)
– alle designet og fremstillet
på Niels Bohr Institutet

Disse “caltargets” blev brugt til kalibrering af alle missionens farvebilleder
(og spektroskopisk data)
Image credits / permission:
Niels Bohr Institute, Texas A&M University, University of Arizona, and NASA, JPL

Spektre fra sweep magneterne på MER roverne,
et spektrum fra en magnet (del af caltarget) på Phoenix
og spektret af støv i støvstorm set fra Hubble rumteleskopet.
Data credits / permission:
Niels Bohr Institute, Texas A&M University, University of Arizona, Jim Bell, and NASA, JPL

Phoenix beviste at der er vand(-is) i undergrunden hvor Phoenix
landede – og at oxydanten (opdaget med Viking) i jorden er en
perchlorat-forbindelse.
Dette forklarer hvorfor det ikke er simpelt at detektere organiske
forbindelser på Mars – de blir simpelthen ødelagt!
Data credits / permission:
University of Arizona, and NASA, JPL

Partikelstørrelsesfordelingen
af Marsjorden
opsamlet ved
Phoenix viser at der
er overraskende få
partikler I lerstørrelses-fraktionen
i
jorden.
Dette betyder at vand
kun kan have været
aktivt (effektivt) ca.
5.000 ud af 500
millioner år på dette
sted.
Pike et al., 2011, Geophys. Res. Letters.

Mars Science Laboratory (Curiosity, > 900 kg)
anvender en helt ny præcisions-landingsmetode: En “Sky Crane”
Mastcam
REMS
MAHLI
APXS
Brush
Drill / Sieves
RAD
ChemCam
MARDI
DAN
Analytiske instrumenter indeni roveren:
“Sample Analysis at Mars (SAM)”
“Chemistry and Mineralogy X-ray diffraction
(CheMin)”
Image credits / permission:
NASA, JPL

De danske
undersøgelser:
Vi vil bestemme
(og identificere) indholdet af
hydrerede jern-oxyhydroxider
i Mars-jorden vha. CheMin
(X-ray diffraction)
Vi vil udsøge de bedste prøver
til CheMin vha. LIBS, Mastcam,
MAHLI og DAN.
Desuden vil vi undersøge evt.
organiske komponenter på
overfladerne vha. SAM.
Image
Image
and
credits
data credits
/ permission:
/ permission:
NASA,
NASA,
JPL,
JPL
Niels Bohr Institute, Mainz University
Mössbauer spektrum af støv på
Opportunity's capture magnet, sol 328 - 330
21

Videnskabelige mål
MSL’s primære videnskabelige mål er at udforske et
landingssted som en mulig habitat for liv og at vurdere
potentialet for at eventuelle biosignaturer kan være bevarede.
Målene inkluderer:
•Vurdering af det biologiske potentiale af landings-stedet
gennem undersøgelser af organisk kemi, udvalgte
grundstoffer og biomarkører
•Karakterisering af geologi og geokemi, både kemisk,
mineralogisk, og isotop-sammensætning, og geologiske
processer
•Undersøgelse af vands rolle, atmosfærens udvikling og
nutidens vejr/klima
•Karakterisering af spektret af stråling ved overfladen

Mawrth Vallis: Ældste stratigrafiske aflejring
tilgængelig på Mars?
Holden Crater: Det mest komplekse
flodaflejringssystem på Mars?
Mulige valg for MSL’s landing
Gale Crater Det højeste (tykkeste) stratigrafiske
tværsnit på Mars?
Eberswalde Crater: Det/den mest interessante
delta/sø på Mars?

Image credits / permission:
NASA, JPL
Candidate Landing Sites

Overgang fra
lermineraler
til sulfater
i et dybt bassin
Som at lande i
Valles
Marineris
Tyk/Høj profil giver
mulighed for
studier af
Mars-miljøet
meget langt tilbage
i tiden
Image credits / permission:
NASA, JPL
Gale krateret: Et bjerg af aflejrings-lag
25

Gale tilhører en familie af fyldte kratere
24
Image credits / permission: NASA, JPL

Bestigning af bjerget
K. Edgett, MSSS

Stratigrafi og en Planets historie
Sedimentære klipper indeholder information om miljø-ændringer
Image credits / permission: NASA, JPL

Image credits / permission:
NASA, JPL
Nu: Film – og herefter: Pause!
34

Størrelsen af MSL – En jordisk analog
2009 MSL Rover
The data/information contained herein has been reviewed and approved for release by JPL
Export Administration on the basis that this document contains no export-controlled
information.
2005 MINI Cooper S
Image credits / permission: NASA, JPL

Mastcam
REMS
Jet Propulsion Laboratory
MAHLI
APXS
Brush
Drill / Sieves
Scoop
RAD
Rover bredde: 2,8 m
Instrumentdækhøjde over grund: 1,1 m
Frihøjde: 0,66 m
Højde af mast: 2,2 m
Image credits / permission: NASA, JPL
MSL videnskabelig nyttelast
ChemCam
MARDI
DAN
REMOTE SENSING
Mars Science Laboratory Project
Mastcam (M. Malin, MSSS) – Farve- og tele-kamera med
video og filtre til atmosfærisk opacitet
ChemCam (R. Wiens, LANL/CNES) – Kemisk
sammensætning; meget lang tele
KONTAKT-INSTRUMENTER (PÅ ROBOT-ARM)
MAHLI (K. Edgett, MSSS) – “Hånd-linse”-farvebilleder
APXS (R. Gellert, U. Guelph, Canada) - Kemisk
sammensætning
ANALYTISK LABORATORIUM (ROVERens KROP)
SAM (P. Mahaffy, GSFC/CNES) – Kemisk og isotopsammensætning,
inklusive organiske forbindelser
CheMin (D. Blake, ARC) - Mineralogi
KARAKTERISERING af OMGIVELSER / MILJØ
MARDI (M. Malin, MSSS) - Nedstigningsbilleder
REMS (J. Gómez-Elvira, CAB, Spain) - Meteorologi / UV
RAD (D. Hassler, SwRI) - Høj-energi strålingsmiljø
DAN (I. Mitrofanov, IKI, Russia) – Brint i den øverste meter

Mast kamera (Mastcam)
Principal Investigator: Michael Malin
Malin Space Science Systems
Mastcam producerer farve- og stereo-billeder
af landskab, klipper, jord og støv plus frost/is,
og vil udføre atmosfæriske undersøgelser
• Snæver-vinkel (5.1° FOV) og medium-vinkel
(15° FOV) kameraer (100 og 34 mm fokallngd.)
• Bayer mønster filter design til naturlig farve plus
smalle båndpas-filtre til spektroskopi
• Høj rumlig opløsning: 1200�1200 pixels (0.2
mm/pixel ved 2 m, 8 cm/pixel ved 1 km’s
afstand)
• HD-video med 5 billeder/s, 1280�720 pixels
• Stort internt lager: 256 MByte SRAM, 8 GByte
flash
Image credits / permission: NASA, JPL, Malin Space Science Systems

ChemCam (LIBS)
Principal Investigator: Roger Wiens
Los Alamos National Laboratory
Centre d’Etude Spatiale des Rayonnements
ChemCam laver grundstofanalyser
vha. laser-induceret nedbrydningsspektroskopi
(LIBS)
• Hurtig karakterisering af klipper og jorde
på op til 7 m’s afstand
• Vil identificere og klassifisere klipper,
jorde, småsten, hydrerede mineraler,
vejrnedbrydningsprodukter og is
• Analyse-plet-størrelse < 0.5 mm
• 240-850 nm spektral følsomhed
• Støv-fjernelse; dybdeprofilering til > 0.5
mm
• Høj-opløsnings kontekst-billeder
(opløsning ~1 mm i 10 m’s afstand)
Mast-enhed
J.-L. Lacour (CEA)

Alpha-partikel Røntgen-spektrometer
Principal Investigator: Ralf Gellert
University of Guelph, Ontario, Canada
Canadian Space Agency
APXS bestemmer den kemiske
sammensætning af klipper, jorde og
processerede prøver
• En kombination af partikel-induceret
røntgen-emission og røntgen-fluorescence
vha. 244 Cm kilder
• Klippe-dannende grundstoffer fra Na til Br
og tungere
• Nyttig til undersøgelse af både vandret og
lodret variation, overflade-ændringer og
detektion af salt-dannende grundstoffer
• En faktor ~3 forøget følsomhed; og
forbedret dag-temperatur effektivitet
sammenlignet med MER (figuren til højre)

Mars Hand-Lens Imager (MAHLI)
Principal Investigator: Ken Edgett
Malin Space Science Systems
MAHLI kan karakterisere historien og processer
arkiveret I geologiske materialer
• Undersøger struktur og tekstur af
klippemateriale, jord og støv, og frost/is i en
skala af µm til cm
• Returnerer 1600×1200-pixel farvebilleder og
video; syntetiserer bedste fokus billeder og
“depth-of-field” højde-kort
• Højeste opløsning mulig er 14 �m/pixel
• Kan fokusere på passende afstande til både
landskabsbilleder og “engineering
support”/diagnose billeder
• Hvidt lys og UV LEDs for velkontrolleret belysning
plus fluorescens
Image credits / permission: NASA, JPL, Malin Space Science Systems

Kemi og Mineralogi (CheMin)
Principal Investigator: David Blake
NASA Ames Research Center
CheMin: definitiv mineralogisk
identifikation
• Røntgen-diffraktion (XRD); standardteknik
til mineral-analyse
• Identifikation og kvantificering af
mineraler i geologiske materialer
(f.eks., basalter, evaporitter, jorde)
• Vil bidrage til vurdering af vands rolle
for mineral-dannelse, aflejring og
strukturelle ændringer
• Nøjagtighed på ±15% for
koncentrationer af de hyppigst
forekommende mineraler

Sample Analyse på Mars (SAM)
Principal Investigator: Paul Mahaffy
NASA Goddard Space Flight Center
SAM Suite af Instrumenter
Quadrupol Masse-Spektrometer (QMS)
Gas-kromatograf (GC)
Tunbart Laser Spektrometer (TLS)
• Undersøg kilder og destruktionsmekanismer for
carbon forbindelser og søg efter organiske
forbindelser med biotisk eller prebiotisk
relevans
• Find den kemiske og isotopiske signatur af andre
lette grundstoffer, som er vigtige for liv som vi
kender det fra Jorden
• Studér atmosfære/overflade-virkninger, som
udtrykt ved spor-forbindelsers sammensætning
• Undersøg atmosfærens og klimaets udvikling
gennem isotopmålinger af ædelgasser og lette
grundstoffer
• QMS: molekulær og isotopisk
sammensætning i 2-535 Dalton masseområdet
for atmosfære- og prøver af gas
udviklet ved dekomposition
• GC: opløser komplekse blandinger af
organiske forbindelser i bestanddele
• TLS: Forekomst og isotopisk
sammensætning af CH 4, CO 2 og H 2O

Dynamisk Albedo af Neutroner (DAN)
Principal Investigator: Igor Mitrofanov
Space Research Institute (IKI), Rusland
DAN måler koncentrationen af H- og OHholdige
materialer (dvs. f.eks. adsorberet
vand eller hydrerede mineraler)
• Aktiv neutron-spektroskopi vha. pulsede 14 MeV
neutroner
• Genererer profiler langs køre-sporet (“rover
traverse”) i en dybde af ned til 1 m
• Kan opløse henfaldskurver og energi-spektre af
de returnerede pulser
• Nøjagtighed på 0.1-1 vægt% af vand (eller vandækvivalent
brint) afhængigt af målemetoden
Detektorer for termiske &
epitermiske neutroner
Pulserende
neutron-generator

De danske
undersøgelser:
Vi vil bestemme
(og identificere) indholdet af
hydrerede jern-oxyhydroxider
i Mars-jorden vha. CheMin
(X-ray diffraction)
Vi vil udsøge de bedste prøver
til CheMin vha. LIBS, Mastcam,
MAHLI og DAN.
Desuden vil vi undersøge evt.
organiske komponenter på
overfladerne vha. SAM.
Image credits / permission:
NASA, JPL
44

Image credits / permission:
NASA, JPL
45

Kontakt-information og links:
Morten Bo Madsen, mbmadsen@nbi.ku.dk, www.nbi.ku.dk/mars
http://marsprogram.jpl.nasa.gov/msl/ Mars Science Laboratory
http://mars.jpl.nasa.gov/msl/mission/overview/ Mars Science Laboratory
http://www.nasa.gov/multimedia/videogallery/index.html?collection_id=18895&m
edia_id=134925481 Videos
http://ssed.gsfc.nasa.gov/sam/ Sample Analysis at Mars – instr.-site
phoenix.lpl.arizona.edu NASA’s Phoenix Mars Lander
marsrovers.jpl.nasa.gov Mars Exploration Rovers (Spirit and Opportunity)
www.athena.cornell.edu/ Science team web-side for Mars Exploration Rovers
Andre nyttige links:
www.nasa.gov/mars Generel link til NASA’s Mars-missioner
www.nbi.ku.dk/mars Mars-gruppen ved NBI
www.marslab.dk Mars Simulerings Laboratoriet, Aarhus Universitet
http://www.esa.int/SPECIALS/Mars_Express/index.html
ESA’s Mars mission Mars Express
46