Mänskligheten har undrat om huruvida livet existerar bortom vår lilla bakvatten planet så länge att vi har utvecklat en slags kulturella fördomar om hur svaret på denna centrala fråga kommer att vara avslöjas. de flesta av oss antagligen tänka på att NASA eller någon annan rymdorganisationen kommer att schemalägga en presskonferens, en monterad panel av vetenskapliga armaturer kommer att meddela resultaten och tidningar runt om i världen kommer att skrälla ”Vi är inte ensamma!” rubriker. Vi har alla sett den filmen innan, så det är så det måste vara, eller hur?
Antagligen inte. kort av en osannolik händelse som ett främmande rymdskepp landar medan en Google gatuvy bil körde av eller ta emot ett entydigt intelligent radiomeddelande från stjärnorna, slutsatsen att det finns liv nu eller en gång gjorde utanför vår särskilt allvarligt är väl sannolikt att nås på en styckvis process, en anhopning av bevis som byggts upp under lång tid förrän på det hela taget är det enda rimliga slutsatsen att vi inte är ensamma. och det är precis vad tillkännagivandet i slutet av förra året att Mars rover uthållighet hade upptäckt bevis för organiska molekyler i klipporna i Jezero kratern var – en annan pusselbit, och ytterligare ett steg mot att besvara den grundläggande frågan om det unika i livet .
Upptäcka organiska molekyler på Mars är långt ifrån ett bevis på att livet en gång fanns där. men det är ett steg på vägen, liksom ett fantastiskt ursäkt att undersöka vetenskapliga principer och konstruktion av de instrument som gjort denna upptäckt möjligt – nyckfullt namngivna SHERLOC och Watson.
Vill du ha CHNOPS med det?
Definiera exakt vad som utgör biologiskt liv är svårt, och det finns gott om filosofiska argument som grumligt vatten även när du minskar liv egenskaper som omvandlingen av energi eller förmågan att föröka sig. men i slutet av dagen, sådana makroskala egenskaper hjälper inte mycket när vi letar efter mikroskopiskt liv på andra planeter – särskilt när du misstänker att du bara letar efter resterna av gamla mikrobiellt liv, som sannolikt är fallet på Mars .
För att undersöka möjligheten att Mars en gång hyste liv innehåller Mars 2020 missionens uthållighet rover vetenskap nyttolast en rad instrument som syftar till att söka efter de minsta resterna av tidigare liv. främst bland dessa instrument är SHERLOC för ”Scanning beboeliga miljöer med Raman och Luminiscens för Organics och kemikalier” – en något påtvingad men imponerande beskrivande akronym.
I hjärtat av SHERLOC, som rider i slutet av rover s två meter robotarm, är en ultraviolett laser Raman-spektrometer, som avser att identifiera de specifika signaturer för de så kallade CHNOPS element – kol, väte, kväve, syre, fosfor och svavel. Något i stil med 98% av biomassan på jorden är sammansatt av dessa sex element; hitta dem på Mars kommer att vara ganska bra bevis på att livet en gång fanns där. utan helt enkelt att hitta CHNOPS elementen inte gör ett prov biologiskt relevant. Det är hur dessa element är organiserade och de strukturer de bildar att avgöra om ett prov kan ha resterna av gamla liv, och räkna ut det är det som Ramanspektroskopi är riktigt bra på.
Spridnings två sätt
Raman-spektroskopi utnyttjar vad som kallas inelastisk spridning, eller Raman-spridning. Normalt, elektromagnetiska vågor interagera med partiklar av materia genom elastisk, eller Rayleigh, spridning. När inkommande fotoner interagerar med molekyler, de excitera dem från grundtillståndet till en högre energi virtuell stat. I Rayleigh-spridning, kollapsar det exciterade tillståndet snabbt och partikel återgår till grundtillståndet utan någon förlust av den kinetiska energin den infallande fotonen haft. Det är som en rörlig biljardboll som överför all sin rörelseenergi till en orörlig bollen, som sedan går vidare till rörelse medan den första kulan stannar död.
Men ungefär en av 100 miljoner spridresulterar i att släppa från det exciterade virtuella tillstånd till ett tillstånd som skiljer sig från där molekylen igång. Att sträcka ut tidigare analogi, skulle detta vara den rörliga biljardboll slå en orörlig boll med en spricka i den. Den krackade bollen skulle fortfarande absorbera energin hos den inkommande boll, men sprickan skulle dämpa en del av det, sända bollen med en annan hastighet än den inkommande bollen, och kanske till och med i en annan riktning än vad som skulle förekomma i en rent elastisk kollision .
Precis som skillnaden i hastighet och riktning kan avslöja information om egenskaperna hos den krackade bollen, så också kan Raman-spridning användas för att sondera strukturen av en molekyl. Skillnaden i energi mellan de infallande fotonerna och de spridda fotoner beror på de vibrations- och rotationstillstånd de kemiska bindningarna inom molekylen. Detta resulterar i en population av fotoner med olika våglängder som representerar de olika kemiska bindningar inom en molekyl. när Spread ut på en detektor med ett diffraktionsgitter, dessa fotoner skapa ett fingeravtryck som är karakteristiska för de molekyler i provet.
Medan Raman har använts i årtionden på jorden för att analysera alla typer av kemiska prover, är SHERLOC första gången tekniken har använts på en annan värld. och som ni skulle föreställa er, det tar några speciella teknik för att paketera upp alla optik och elektronik och gör det inte bara robust nog att överleva de tuffa rymdfärder, men också att arbeta självständigt.
Byggd för att utföra
Den SHERLOC vindanordningen, eller STA. ACI / SHERLOC objektiv är nere till vänster, medan WATSON ligger mitt höger. Båda kamerorna har sina motoriserade lins covers på plats. För referens, båda kamerorna är ca 9 cm i diameter. notera del av hexapod stagfjädringssystemet synligt bakom ACI / SHERLOC mål. Källa: NASA-JPL / Caltech
För att åstadkomma allt detta, är SHERLOC uppdelad i två stora församlingar: den SHERLOC Body Assembly (SBA) och SHERLOC Turret Assembly (STA). STB är där alla datahanteringskretsar finns, och där strömförsörjnings liv. STA är affärs slutet av SHERLOC, och bor i slutet av Perseverance robotarm. Hjärtat i STA är den djupa-UV (DUV) laser, en kraftigt modifierad off-the-shelf neon-kopparmetallånglaser. Det ger en mycket stabil 248,60 nm puls och förväntas pågå tillräckligt länge för att leverera 3.000.000 spektra, vilket är ungefär sju gånger livslängd på rovern.
Som med alla Raman spektroskop, optiken i SHERLOC är en komplicerad uppsättning av linser, speglar, stråldelare och filter. Till skillnad från de flesta av sina jordbundna kusiner, men har SHERLOC att hantera ”S” i sitt namn: scanning. snarare än att förlita sig på finreglering av robotarmen för att placera sin stråle, har SHERLOC en avsökarsubsystemet som är ganska lika de galvanometrar som används för strålstyrning i lasershower. Skannern ger SHERLOC kontroll av strålen över en 7 mm x 7 mm provområde med en stegstorlek av mindre än en mikrometer i båda dimensionerna, så att den kan samla in data från den minsta av funktioner utan att behöva förlita sig på robotarmen rör sig.
Ett annat sätt på vilket SHERLOC skiljer sig från andra Raman instrument är i behovet att korrelera spektra med rumslig information om ett prov. Det är inte tillräckligt för att få den spektrala fingeravtryck av en viss del av ett prov; snarare måste SHERLOC också bestämma ramen för vad som exakt plats på prov ser ut i synligt ljus. För att åstadkomma detta, SHERLOC kräver hjälp av två kameror: autofokus och Context Imager (ACI), en hög upplösning gråskala kamera som delar den optiska banan för den Raman spektroskopet, och Watson, vidvinkel Topographic Sensor för drift och teknik kamera . Watson är en separat, fyrfärg, kamera med hög upplösning med ett makro kapacitet ner till 1,78 cm brännvidd. WATSON och ACI tillsammans är i princip motsvarar en geolog hand lins, vilket tillåter SHERLOC att överlagra synligt ljus bilder med Raman-data över ett brett område av drift avstånd.
Slutligen SHERLOC s Raman-spektroskop utformad för att överleva den långa resan till Mars, hög energi landning och de svåra förhållandena i den kalla, dammiga värld. Medan SBA ligger inbäddat säkert inne i skrovet uthållighet har STA att utsättas för väder och vind för att göra sitt jobb. SHERLOC är monterad på en hexapod arrangemang av fjäderbelastade strävor att dämpa vibrationer som påträffas både under rymdfärder och roveroperationer. STA är också utrustad med en komplex värmehantering systemet, inklusive överlevnad värmeelement som håller elektroniken och optiken tillräckligt varmt för att överleva den värsta fallet Martian kallt.
Sammanhang är nyckeln
Medan de flesta av allmänhetens uppmärksamhet på Mars 2020 uppdraget hittills förståe dragits till vilt framgångsrika Uppfinningsrikedom helikopter, SHERLOC har ivrigt att samla in data i stort sett non-stop sedan uthållighet kom på Mars tillbaka i mars 2021. Bekräftelsen av organiska ämnen i Jezero krater kom från en serie av prover analyseras tillbaka i september 2021, och en sten i synnerhet, som dubbades ”Garde.” Rover arm monterade verktygsenhet användes för att slipa bort en del av vittrad sten innan SHERLOC var svängde på plats för att analysera provet.
Garde rock, med bevis på organiska ropade. notera hur SHERLOC kan kombinera de synliga ljusbilder med Raman data för att ge geologiska sammanhang. Källa: NASA-JPL / Caltech.
Tack vare kraften av SHERLOC och dess förmåga att överlagra synligt ljus bilder med Raman-uppgifter, planet Forskarna kunde bestämma att Garde innehåller både olivin mineraler, som indikerar en magmatisk historik och karbonatmineral, som tyder på en tidigare period av vatten som reagerar med stenen. Detta överensstämmer med vad vi redan vet om Jezero kratern och floddelta som en gång flödade in i den. finna organiska material i en sten med den typen av geologisk historia är en kittlande databit, och kanSomeday visar sig vara en del av bevisen att livet en gång stött på Mars.