Marte, l’attività geotermica ha creato un nuovo minerale sulla sua superficie
Un team di ricercatori guidato dal SETI Institute ha identificato su Marte un composto di ferro e zolfo con caratteristiche cristallografiche e spettrali mai osservate prima.
Si tratta del ferric hydroxysulfate, un solfato ferrico idrossido che si forma solo quando i solfati ferrosi idratati vengono riscaldati oltre i 100°C in presenza di ossigeno. La scoperta, pubblicata su Nature Communications, apre una finestra inedita sull’attività geotermica e vulcanica del Pianeta Rosso in epoche molto più recenti di quanto si pensasse.
Marte e i solfati: un archivio chimico di miliardi di anni
Lo zolfo è uno degli elementi più abbondanti sulla superficie marziana. Combinandosi con ossigeno, ferro, magnesio e altri elementi, forma una vasta famiglia di minerali solfatici che si trovano distribuiti in strati estesi su larga parte del pianeta. Sulla Terra, la maggior parte di questi composti si dissolve rapidamente a contatto con l’acqua piovana, rendendo difficile la loro conservazione nel tempo. Su Marte, l’estrema aridità ha permesso a questi minerali di sopravvivere praticamente intatti per miliardi di anni, diventando archivi chimici preziosi delle condizioni ambientali del passato.
Ogni minerale possiede una struttura cristallina propria, con legami atomici specifici che determinano le sue proprietà fisiche, ottiche e termiche. Minerali noti come il gesso (solfato di calcio biidrato) e l’ematite (ossido di ferro) sono stati identificati su Marte già da anni grazie agli strumenti a bordo dei satelliti orbitanti. Lo studio sistematico dei solfati marziani, però, ha continuato a riservare sorprese: per quasi vent’anni, alcuni strati di solfati ferrosi hanno mostrato segnature spettrali anomale, bande di assorbimento nell’infrarosso difficili da ricondurre a minerali catalogati.
La nuova indagine, condotta dalla dott.ssa Janice Bishop, ricercatrice senior al SETI Institute e al NASA Ames Research Center nella Silicon Valley californiana, ha finalmente fornito una risposta a questi segnali enigmatici: si tratta di una fase di ferric hydroxysulfate, un solfato ferrico con gruppi ossidrile (OH) al posto delle molecole d’acqua tipiche dei solfati idratati comuni.
Le aree di studio: Aram Chaos e l’altopiano di Juventae
La ricerca si è concentrata su due siti geologicamente distinti, entrambi nelle immediate vicinanze di Valles Marineris, uno dei sistemi di canyon più vasti dell’intero sistema solare, con una lunghezza di circa 4.000 km e profondità che in alcuni punti superano i 7 km. Entrambi i siti conservano tracce di ambienti acquosi antichi e presentano strati di solfati sovrapposti con composizioni chimiche differenti.
Il primo sito è Aram Chaos, un terreno caotico situato a nordest di Valles Marineris. Queste aree a morfologia caotica si formarono miliardi di anni fa quando enormi quantità d’acqua di fusione defluirono rapidamente verso nord, rimodellando la crosta marziana. Il rapido prosciugamento lasciò depositi stratificati ricchi di solfati di ferro e magnesio. Nella sequenza stratigrafica di Aram Chaos, gli strati più superficiali contengono solfati polipidratati, quelli intermedi solfati monoidratati, e quelli più profondi mostrano la presenza di ferric hydroxysulfate.
Il secondo sito è l’altopiano di Juventae, la superficie soprastante Juventae Chasma, un canyon profondo circa 5 km che si trova appena a nord di Valles Marineris. Questo altopiano conserva antichi canali scavati dall’acqua corrente e ospita una piccola depressione in cui, in epoche remote, si accumularono pozze di acque ricche di solfati. Man mano che l’acqua evaporava, precipitarono in successione diversi tipi di solfati ferrosi idratati. La dott.ssa Catherine Weitz, co-autrice dello studio e scienziata senior al Planetary Science Institute, ha precisato che l’analisi delle morfologie e delle stratigrafie dei quattro principali tipi di depositi presenti ha permesso al team di determinare con precisione le relazioni di età e di formazione tra le diverse unità mineralogiche.
Sia ad Aram Chaos che sull’altopiano di Juventae, i depositi di ferric hydroxysulfate si trovano in strati sottili, dell’ordine di circa un metro di spessore, posizionati sia al di sopra che al di sotto di materiali basaltici. Questa disposizione indica che i solfati originari si formarono prima, e che il calore proveniente da colate laviche o depositi di ceneri vulcaniche li trasformò chimicamente in un secondo momento.
Dallo spazio al laboratorio: come si identifica un minerale su un altro pianeta
La principale fonte di dati mineralogici per Marte è lo strumento CRISM (Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars), a bordo del Mars Reconnaissance Orbiter della NASA. CRISM rileva la luce riflessa dalla superficie marziana in centinaia di lunghezze d’onda nell’infrarosso vicino e medio, permettendo di ricostruire la firma spettrale dei minerali. Ogni minerale assorbe e riflette la luce in modo caratteristico a seconda della sua struttura atomica e dei legami chimici presenti.
Per quasi vent’anni, alcune bande spettrali rilevate da CRISM nelle aree dei solfati ferrosi marziani non trovavano corrispondenza nei database mineralogici disponibili. Il gruppo di Bishop ha affrontato il problema in modo parallelo: da un lato raccogliendo e analizzando dati orbitali, dall’altro riproducendo in laboratorio le condizioni chimiche e termiche che potrebbero aver generato questi segnali. Il confronto sistematico tra i profili spettrali di laboratorio e le osservazioni di CRISM ha portato all’identificazione del ferric hydroxysulfate come il minerale responsabile delle anomalie spettrali osservate.
Il dott. Johannes Meusburger, ricercatore postdottorale presso NASA Ames, ha spiegato che il ferric hydroxysulfate si forma esclusivamente quando i solfati ferrosi idratati vengono riscaldati in presenza di ossigeno. Le variazioni nella struttura atomica rispetto ai solfati idratati di partenza sono molto ridotte, ma questo cambiamento altera radicalmente il modo in cui il minerale assorbe la luce infrarossa, rendendo possibile la sua identificazione remota tramite CRISM.
Il percorso chimico: da rozenite a ferric hydroxysulfate
Per comprendere la genesi del nuovo minerale, è necessario seguire la sequenza di trasformazioni chimiche che i solfati ferrosi subiscono all’aumentare della temperatura. Il punto di partenza è la rozenite (Fe²⁺SO₄·4H₂O), un solfato ferroso con quattro molecole d’acqua per unità formula. Questo minerale è stabile a temperature moderate e si trova frequentemente nei depositi evaporitici marziani.
Riscaldando la rozenite fino a circa 50°C, le quattro molecole d’acqua vengono espulse dalla struttura cristallina e il minerale si converte in szomolnokite (Fe²⁺SO₄·H₂O), un solfato monoidratato con una sola molecola d’acqua residua. La szomolnokite è già nota su Marte e rappresenta la fase più stabile dei solfati ferrosi a temperature superficiali medio-alte.
Se il riscaldamento continua oltre i 100°C e avviene in presenza di ossigeno gassoso (O₂), si innesca una reazione più complessa. L’ossigeno ossida il ferro da Fe²⁺ a Fe³⁺, mentre il gruppo ossidrile (OH⁻) sostituisce le molecole d’acqua residue nella struttura cristallina. Il risultato è il ferric hydroxysulfate (Fe³⁺SO₄OH), accompagnato dalla produzione di vapore acqueo. La reazione completa è:
4 Fe²⁺SO₄·H₂O + O₂ → 4 Fe³⁺SO₄OH + 2H₂O
Questa reazione richiede contemporaneamente calore sufficiente, disponibilità di ossigeno e partenza da solfati ferrosi idratati. Marte possiede oggi un’atmosfera sottile dominata per oltre il 95% da CO₂, con una pressione totale di circa 600 Pa, ma contiene comunque una piccola percentuale di ossigeno molecolare, sufficiente perché questa reazione possa avvenire. Il ferro ossidato (Fe³⁺) è del resto già comunissimo sulla superficie marziana: è responsabile del caratteristico colore rosso-arancione del pianeta, prodotto dall’ossidazione degli ossidi di ferro.
Dal punto di vista cristallografico, il ferric hydroxysulfate ha una struttura simile alla szomolnokite, ma con le modifiche imposte dalla sostituzione del gruppo acqua con quello ossidrile e dall’ossidazione del ferro. Questa combinazione di caratteristiche lo rende, secondo il team di ricerca, un minerale probabilmente nuovo, non ancora catalogato nei database mineralogici terrestri. Per ottenere il riconoscimento ufficiale da parte della International Mineralogical Association, però, lo stesso composto dovrà essere trovato anche sulla Terra in forma naturale, un requisito procedurale che non cambia la sostanza della scoperta marziana.
Distribuzione e rarità: perché il ferric hydroxysulfate è così localizzato
Uno degli aspetti più significativi della distribuzione di questo minerale su Marte è la sua rarità relativa. I solfati polipidratati e monoidratati coprono vaste aree del sistema di Valles Marineris e delle regioni circostanti. Il ferric hydroxysulfate, invece, appare solo in pochi siti circoscritti, con strati sottili e discontinui.
Questa distribuzione frammentata è pienamente coerente con il modello di formazione proposto: la sua presenza richiede una sorgente localizzata di calore superiore ai 100°C, cioè attività vulcanica o geotermica, che non era uniformemente distribuita sulla superficie. Dove il calore era sufficiente, i solfati ferrosi idratati si sono trasformati; altrove, sono rimasti nella forma polipidrata o monoidrata originale.
Il team ipotizza che ulteriori depositi di ferric hydroxysulfate potrebbero essere presenti sepolti sotto strati di solfati monoidratati, non ancora raggiunti dalla risoluzione spaziale di CRISM o coperti da materiale successivo. La scarsità superficiale osservata potrebbe dunque sottostimare la reale estensione del fenomeno.
Implicazioni per la storia geologica e termica di Marte
La temperatura di formazione richiesta, superiore ai 100°C, è molto al di sopra delle condizioni termiche normali della superficie marziana attuale, dove le temperature oscillano tipicamente tra i -80°C e i +20°C a seconda della latitudine e della stagione. Questo dato implica che i depositi di ferric hydroxysulfate non si sono formati per effetto dell’irraggiamento solare, ma per l’azione di calore endogeno, cioè proveniente dall’interno del pianeta.
Per l’altopiano di Juventae, il meccanismo più probabile è il contatto diretto con colate laviche o depositi piroclastici che hanno coperto i solfati preesistenti, riscaldandoli localmente. Per Aram Chaos, dove i solfati si trovano stratificati all’interno di un antico cratere da impatto, il calore è più probabilmente di origine geotermica, legata alla circolazione di fluidi caldi attraverso la crosta o alla presenza di camere magmatiche a profondità moderate.
In entrambi i casi, la fase geologica di riferimento è l’Amazzoniano, l’era geologica marziana più recente, che inizia circa 3 miliardi di anni fa e si estende fino all’attualità. Se i solfati si sono formati durante questa era, come suggerisce la stratigrafia, significa che parti della superficie marziana hanno subito trasformazioni chimiche significative in tempi relativamente recenti, alimentate da un’attività interna ancora considerevole. Questo dato si aggiunge a una serie crescente di evidenze che indicano un Marte geologicamente più dinamico e recentemente attivo di quanto i modelli classici prevedessero.
Cosa ci dice questa scoperta sulla possibilità di vita su Marte
Il collegamento tra chimica dei solfati e astrobiologia non è immediato, ma è reale. I solfati ferrosi idratati, come rozenite e szomolnokite, possono formarsi in ambienti acidi e ricchi di attività ossidativa, tipici di contesti vulcanici e idrotermali. Sulla Terra, ecosistemi ricchi di organismi chemolitotrofi, batteri e archea capaci di ricavare energia dalle reazioni chimiche inorganiche, prosperano in ambienti analoghi: sorgenti idrotermali acide, drenaggi di miniere, laghi vulcanici. Alcune di queste comunità metabolizzano direttamente i solfati ferrosi come fonte di energia o substrato chimico.
La presenza di ferric hydroxysulfate a Marte indica che in quelle aree esistevano le tre condizioni fondamentali spesso associate alla potenziale abitabilità: acqua liquida (necessaria per la formazione iniziale dei solfati), energia termica (il calore che ha innescato la trasformazione chimica) e reattività chimica (ossidazione del ferro, disponibilità di zolfo). La scoperta non prova la presenza passata di vita su Marte, ma arricchisce la mappa dei siti con condizioni compatibili con processi biologici.
Le aree di Aram Chaos e dell’altopiano di Juventae, già note come siti di interesse scientifico, acquistano ora ulteriore rilevanza come potenziali obiettivi per missioni future di campionamento. Analizzare direttamente questi depositi con strumenti in situ o riportare campioni sulla Terra permetterebbe di confermare la struttura cristallina del ferric hydroxysulfate, stabilire con precisione le condizioni termiche che hanno prodotto queste trasformazioni e cercare eventuali biosegnature chimiche o isotopiche associate.
Un minerale che aspetta ancora il proprio nome
Sul piano mineralogico formale, il percorso verso il riconoscimento ufficiale del ferric hydroxysulfate come nuovo minerale richiede ancora un passaggio: la sua identificazione in forma naturale su Marte stesso o sulla Terra. Le regole della International Mineralogical Association (IMA) richiedono che un minerale venga trovato in natura, non solo sintetizzato in laboratorio, per essere inserito nel registro ufficiale delle specie mineralogiche.
Il composto prodotto nei laboratori del SETI Institute e di NASA Ames possiede caratteristiche cristallografiche e spettrali coerenti con quelle di un nuovo minerale, ma la comunità scientifica attende ancora una conferma da un campione naturale. Su Marte, le osservazioni orbitali forniscono prove spettrali solide ma non campioni fisici. Se le future missioni di ritorno di campioni (come Mars Sample Return, il progetto congiunto NASA-ESA) dovessero recuperare materiale da aree solfatiche come Aram Chaos, la questione potrebbe essere risolta definitivamente.
Nel frattempo, la ricerca ha già conseguito risultati concreti: ha chiarito l’origine delle anomalie spettrali nei solfati ferrosi marziani, ha documentato un processo chimico attivato termicamente che agisce su scala geologica, e ha aggiunto un nuovo tassello alla comprensione dell’evoluzione chimica e termica di Marte, un pianeta che continua a rivelare strati di complessità inaspettata.
Fonte
- Bishop, J.L. et al., Characterization of Ferric Hydroxysulfate on Mars and Implications of the Geochemical Environment Supporting its Formation, Nature Communications, 2026. SETI Institute / NASA Ames Research Center / Planetary Science Institute.