Lago sub-glacial en Marte

El 25 de Julio de este año el mundo se llenó nuevamente de expectativa al encontrarse con diferentes notas indicando que la Agencia Espacial Europea había descubierto un lago de unos 20 kilómetros de diámetro bajo el polo sur del planeta Marte, el reporte había sido publicado por investigadores italianos en la revista científica Science (Orosei et al. 2018), mostrando evidencia obtenida por el instrumento “Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding”, o MARSIS, que utiliza ondas de radar para estudiar lo que se encuentra bajo la superficie marciana.

Figura 1. Casquete del polo sur marciano. Fotografía tomada por la cámara de Mars Global Surveyor – NASA, 2000.

¿Pero cómo ha sido posible llegar a esta conclusión utilizando solamente una herramienta que se encuentra en un orbitador a kilómetros de distancia de la superficie de Marte?

MARSIS, o Radar Avanzado Marciano para Sondeo del Subsuelo y la Ionosfera,  es una herramienta acoplada al orbitador Mars Express, lanzado en 2003, que consiste en un radar de baja frecuencia y un altímetro capaz de penetrar bajo la superficie, y una antena receptora que aísla la reflexión producida por el subsuelo (sci.esa.int). Marsis se encuentra orbitando el planeta y necesita de altitudes menores a los 800 Km para realizar mediciones sobre el subsuelo y hasta 1200 Km para la ionósfera.

La manera de trabajar de MARSIS consiste en transmitir pulsos modulados de las frecuencias 1.8, 3, 4 o 5 MHz, alterando la transmisión a dos frecuencias diferentes, esta señal penetra hasta el subsuelo (las frecuencias más bajas tienen una mayor penetración) donde interactúa con sus componentes y el reflejo de esta señal es recibida por una antena dipolo y una antena secundaria monopolo que permite restar señales de otras direcciones a la señal captada por la primera antena. Luego ambas señales son transformadas  y formateadas por el procesador digital a bordo de MARSIS y enviado a la nave espacial, Mars Express, que lo transmitirá hacia la Tierra.

Figura 2. MARSIS antes de ser incorporado en la nave Mars Express.

Desde Mayo del 2012, hasta Diciembre del 2015, MARSIS colectó información del subsuelo de la región Planum Australe de Marte. Los científicos italianos  dirigidos por Roberto Orosei, observaron como una gran región de unos 20 Km de diámetro mostraba un reflejo significativamente mayor en comparación con la zona que lo rodea que tenía un reflejo marcadamente menor. Sin embargo, demostrar que estas observaciones  corresponden a la existencia de agua líquida en debajo de los glaciares australes de Marte representa una tarea más compleja.

Lo primero es entender cómo funciona esta metodología. La técnica utilizada por MARSIS se conoce como Eco Sonar de ondas de radio, Radio Echo Sounding (RES),  en el que se utilizan frecuencias de ondas de radio que pueden penetrar en el suelo, como toda onda, al entrar en contacto con materiales, sean gases como la atmósfera, sólidos como los suelos o líquidos como el agua, estas pueden ser absorbidas, transmitidas o reflejadas; y  cada tipo de material tiene una “huella espectral”, esto quiere decir que pueden absorber y reflejar ondas de diferentes frecuencias de manera específica y en proporciones que pueden ser medibles, permitiendo que se pueda estimar la composición química del objeto o formación sobre el cual se aplica.

Esta técnica ha sido ampliamente utilizada en los glaciares terrestres, debido a las características del hielo, se ha podido estimar el grosor de estos, así como la existencia de lagos sub glaciares en la región antártica. Cabe resaltar el agua en diferentes estados interactúa de manera diferente con las ondas de radio y otras regiones del espectro electromagnético, de manera que es posible llegar a estimar el estado en que esta se encuentra bajo los glaciares.

Figura 3. Espectro de absorción del agua líquida. Fuente: http://www1.lsbu.ac.uk

Antes de revisar los datos, los autores necesitaron uniformizarlos, primero revisando la estructura geológica y química de la región donde se habían realizado las observaciones, y luego para normalizar los datos en base a la altura exacta de Mars Express durante cada orbita respecto a las mediciones tomadas. Una vez que los datos estaban normalizados se produjeron los radiogramas, que muestran  la intensidad del reflejo de la señal respecto a la región barrida por la órbita y la profundidad penetrada por la señal.

Figura 4. Radiograma de la región estudiada en el polo sur marciano. Fuente Orosei et al. 2018

En este radiograma los autores observaron que existen dos zonas notoriamente más reflejantes a diferentes profundidades, una correspondiente a la superficie del hielo, y la segunda a ~ 1.5 Km debajo del hielo.

Aun cuando las mediciones se realizaron de noche para evitar el efecto de dispersión en la ionosfera marciana, la interpretación de los datos no era del todo clara, principalmente debido a la menor resolución espacial que provee MARSIS. Para sobrepasar esta limitación se tuvo que recurrir a la estimación de la permitividad dieléctrica del material basal, lo cual implicó realizar una serie de asunciones incluyendo que la composición de la zona de estudio era una mezcla de hielo y polvo, y que la temperatura interna era linear comenzando con una temperatura de 160 K en la superficie. Los científicos observaron que la permitividad en la región fuera de donde se halla la señal tenía valores típicos de rocas volcánicas, mientras que dentro de la región brillante tenía valores mucho más altos, que son atípicos en Marte, y que en la Tierra son raramente asociados a materiales que no contienen agua.

Figura 5. Mapas topográficos mostrando la intensidad del reflejo “eco power”. La región triangular, marcada al centro, muestra la zona de mayor intensidad.

¿Y esto es agua líquida?

Los investigadores contrastaron diferentes posibilidades para explicar esta diferencia tan marcada del reflejo de la señal. Pero posibilidades como la presencia de capas de CO₂ líquido fueron descartados debido a la ausencia de una reflexión basal suficientemente fuerte. Además relacionan observaciones realizadas en otras regiones de Marte para dar más robustez a su conclusión. La presencia de sales percloratos de magnesio, calcio y zinc, además de la gran presión producida por las capas de hielo sobre esta, permitirían que el agua mantenga una forma líquida a pesar de encontrarse a temperaturas alrededor de 205 K (-68°C).

A pesar de que muchos medios han hablado de un lago sub glacial, los autores aclaran al final que existen factores que limitan la discusión sobre la forma en que se encuentra el agua debajo de esta región, debido a la absorción del agua solo es posible identificar la capa basal de este cuerpo y no su profundidad, y las posibilidades van desde mezclas como barro de agua con tierra, hasta salmueras saladas que podrían estar interconectadas o no. Se requerirá de más estudios, probablemente utilizando rovers que puedan hacer un estudio más directo sobre la zona antes de poder saber a ciencia cierta si estamos hablando realmente de agua líquida y la forma y extensión en que esta se encuentra.