Марсианский детектив, или Откуда родом Черная Красавица?

Доставка образцов внеземного вещества на Землю — одна из главных научно-исследовательских задач космонавтики. Современные технологии позволяют довольно подробно изучать внеземные образцы in situ, то есть «на месте», но и их ограничивают расстояния до других планет. Сколь бы интересным ни оказался камень, попавший в объектив камеры марсохода, его можно изучать только тем оборудованием, которое до этого камня довезли, — тем, что уже есть на борту, и только в счет времени на изучение остальных целей.

Посылать вдогонку еще один инструмент — слишком затратно, а для многих методов нужны приборы и оборудование, которые просто не помещаются в ракеты. Один из таких методов — датировка с помощью изотопной масс-спектрометрии, благодаря которой геохронология — геологическая летопись Земли — и обрела свою точность.

Напротив, если доставить образец грунта на нашу родную планету, то арсенал, доступный исследователям, расширяется до всех приборов, которые есть на Земле.

Почему бы просто не привезти образцы домой?

К сожалению, доставка образцов с других планет намного труднее, чем отправка туда роботов. Виной всему — беспощадное уравнение Циолковского, которое диктует, что масса топлива, необходимая для разгона полезной нагрузки, экспоненциально зависит от придаваемой ей скорости. При этом все торможения и дополнительные разгоны добавляются в уравнение, как и простой разгон. Даже для разгона до восьми километров в секунду и взлета с Земли на орбиту требуется масса топлива, которая в десятки раз превосходит массу полезной нагрузки. Если после вывода нагрузки на орбиту нужны маневры или дополнительный разгон, то соответствующая часть этой нагрузки тоже будет топливом.

Каждые два дополнительных километра в секунду разгона нагрузки примерно удваивают требуемую массу топлива (точные цифры зависят от его вида). У Луны и тем более у астероидов вторая космическая скорость мала, и с них можно улететь на простой одноступенчатой ракете — потому именно этими небесными телами доставленные на Землю образцы ограничиваются.

У Марса вторая космическая скорость достигает пяти километров в секунду, и они добавляются к 12-14 километрам в секунду, необходимым для доставки посадочно-взлетного аппарата с поверхности Земли на Красную планеты, и еще нескольким километрам в секунду на перелетную траекторию из окрестностей Марса на Землю. Прибавьте к массе образцов оборудование, необходимое для перемещения по поверхности, идентификации и сбора интересных образцов — и получается, что для запуска с Земли миссии, которая доставит марсианский грунт на нее «одним махом», нужна ракета, которой еще не существует.

NASA решает эту задачу в три этапа. Сначала марсоход Perseverance собирает образцы грунта и запечатывает их в капсулы. Затем на Марс будет запущен посадочно-взлетный аппарат, который заберет пробы грунта у американского марсохода и отправит их на низкую околомарсианскую орбиту, разогнав до 3,5 километра в секунду (по сравнению с 9-10 километрами в секунду, необходимыми для прямого перелета с поверхности Марса на Землю, это огромная разница). А уже третий космический аппарат выйдет на орбиту Красной планеты, состыкуется со взлетной ступенью и доставит ее с образцами на Землю.

По планам, эта миссия завершится в 2030-х годах, ее общая стоимость составит не менее семи миллиардов долларов — всего за 200-300 граммов образцов. Марсианский грунт будет лишь в пару миллионов раз дешевле антиматерии.

На пальцах объяснить логику экономии при разделении миссии на этапы можно следующим образом. Допустим, миссия в один этап требует разгонного бюджета 26 километров в секунду, но ее можно разделить на три этапа, каждый из которых требует по 14 километров в секунду. Если каждые два дополнительных километра в секунду удваивают требуемую массу топлива, то в первом случае она превзойдет массу полезной нагрузки в 2¹³ = 8192 раза, а во втором — в 2⁷ = 128 раз для каждого из этапов. В первом случае предельная масса нагрузки, вместе с приборами и всем остальным бортовым оборудованием, не превысит сотен килограммов, даже если использовать сверхтяжелую ракету. Во втором случае и на ходовых ракетах, которые в несколько раз дешевле сверхтяжелых, можно запускать по нескольку тонн на каждом этапе. Цифры и расчеты приблизительны, но отражают закономерность.

«Естественная» доставка грунта с одной планеты на другую

Погодите, но как же тогда марсианские метеориты, спросит читатель? Один из них наделал немало шуму четверть века назад — ALH 84001, в котором обнаружили нечто похожее на микроскопические окаменелости (позже гипотеза о биологическом происхождении не подтвердилась). Марсианские метеориты выбиваются с поверхности ударами астероидов, которые с легкостью способны придать обломкам вторую космическую скорость. И после путешествия по Солнечной системе длительностью в миллионы лет некоторые из них падают на другие планеты — в том числе на Землю.

Действительно, марсианское происхождение некоторых метеоритов доказано бесспорно — по элементному составу и газовым включениям, состав которых совпадает с марсианской атмосферой. Эти метеориты разделяются по минеральному составу на три большие группы — шерготтиты, нахлиты и шассиньиты — а также на несколько одиночных экземпляров. Всего их известно 277 штук, самый большой весит 14,5 килограмма — в тысячу раз больше типичного образца в капсуле Perseverance.

Зачем же тогда нужны многолетние усилия NASA?

У «естественного» способа доставки марсианского грунта на Землю есть три больших недостатка. Один из них — отсутствие изоляции. Даже если в каком-нибудь метеорите выявят весомые признаки древней жизни, может оказаться непросто доказать, что эти следы не попали в него уже на Земле, где метеорит лежал, прежде чем его нашли. Другой недостаток — отсутствие избирательности. Ученые, управляющие марсоходами, запускают их в самые интересные места на планете и ищут там наиболее интересные образцы, а астероиды выбивают марсианские метеориты откуда попало. И, наконец, отсутствие геологического контекста. Мало того что метеорит прилетел из случайной точки на поверхности Красной планеты, мы еще и не знаем, где она расположена.

На Земле ученые могут прочесть камень как открытую книгу. Каждое событие в его истории — отдельная страница: кристаллизация из расплава, дробления астероидными ударами, взаимодействие с водой, выброс с поверхности и полет в космосе. Современный арсенал геологических методов во главе с уже упоминавшейся изотопной датировкой позволяет с точностью установить даты и обстоятельства всех событий, которые произошли в истории камня, — составить его полное curriculum vitae.

Долгая история Черной Красавицы

Героиня сегодняшнего рассказа — NWA 7034, или, как ее еще называют, Черная Красавица (Black Beauty). Этот метеорит, состоящий из сцементированных обломков базальтовой породы, — древнейший известный образец планетного материала. Его возраст ученые определили с помощью датировки по распаду урана-238 и других долгоживущих изотопов. Как оказалось, Черная Красавица в буквальном смысле стара как мир. Составляющий ее основу базальт застыл 4,44-4,48 миллиарда лет назад, или спустя всего сотню миллионов лет с рождения самой Солнечной системы.

Древнейшие сохранившиеся земные породы кристаллизовались, когда Солнце было в несколько раз старше – всё более раннее было уничтожено катаклизмами или погребено тектоникой. Вдумайтесь в этот факт: среди всех пород родной планеты, которую мы изучили вдоль и поперек, не нашлось ничего столь же древнего, как эта гостья с Марса. Она «видела» невообразимо далекую юность нашей звездной системы — нам было бы трудно распознать в тогдашних небесных телах нынешние планеты.

На Марсе уже не существовало магматического океана, но не было еще ни одной узнаваемой формы рельефа — ни вулканов Фарсиды, ни долины Маринера, ни равнины Эллады и всех остальных ныне известных крупных ударных бассейнов. Уран с Нептуном были намного ближе к Солнцу, чем сейчас, и они еще не поменялись друг с другом орбитами. Пояс Койпера был во много раз массивнее современного, Юпитер был раскален докрасна от остаточного тепла аккреции, а земной Луны тогда еще, возможно, попросту не существовало. Породившее ее гигантское столкновение произошло в те же времена или даже было еще впереди.

Тем не менее, тогда на Красной планете уже была вода. Черная красавица содержит ее в несколько раз больше, чем остальные марсианские метеориты. Все последующие события — бомбардировку «строительным мусором» Солнечной системы и ее второй всплеск 3,8-4,1 миллиарда лет назад, образование гигантских марсианских вулканов и каньонов, постепенное пересыхание Марса — Черная Красавица проспала, будучи погребенной в слоях застывшей базальтовой лавы. Около полутора миллиардов лет назад некое событие раздробило и нагрело этот материал, что привело к «сбросу» части изотопных хронометров. Затем обломки сцементировались и образовали материал, из которого сформировался NWA 7034.

Знать бы еще откуда…

Даже если бы мы могли наблюдать вход марсианских метеоритов в атмосферу и рассчитать их орбиты перед столкновением, как у Челябинского астероида, нет никакой возможности проследить эту конкретную орбиту на миллионы лет назад с точностью до минут и километров, чтобы прямо указать точку на поверхности Марса, откуда путешествие началось. Орбиты метеороидов неустойчивы, и даже самые малые погрешности определения орбитальных параметров со временем экспоненциально растут. Орбиты околоземных астероидов бывает трудно рассчитать даже на сотни лет вперед или назад, чего уж говорить о миллионах.

Дело осложняет и приблизительность, с которой известен возраст участков марсианского ландшафта. Его приходится определять кратерной датировкой геологических формаций и относительной стратиграфией. Можно лишь сказать, к примеру, что лавовый поток A образовался раньше пересекающего его разлома Б, но позже равнины В, на которой он застыл, и все это было примерно два-три миллиарда лет назад. Привязать камень, который образовался точно 2,45 миллиарда лет назад, к кратеру на этом потоке, мы не можем, потому что на всей Красной планете есть еще тысячи потоков от сотен извержений, случившихся «примерно тогда».

Получается полная неопределенность: мы знаем подробную геологическую историю нескольких случайных точек на поверхности Марса, но не в курсе, где они расположены. Напоминает попытку определить, куда ставить фигурки пазла у нас в руках, если сам паззл — в соседнем доме, и без бинокля там ничего не разглядеть.

И все-таки они это смогли

Недавно ученые нашли способ определить место происхождения марсианских метеоритов. Как мы помним, не требуется исследовать каждый из 277 метеоритов: все члены одних и тех же семейств произошли из одних и тех же точек.

Naked Science уже рассказывал об их методе и первых результатах — оказалось, шерготтиты были выброшены из кратера Тутинг (Tooting) на вулканическом плато Фарсида. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, команда ученых из австралийского Университета Кертина и других институтов, во главе с Энтони Лагейном, определила и место происхождения Черной Красавицы. Начнем издалека и попытаемся сначала вывести логику этого почти детективного исследования.

Что может быть отправной точкой и исходной зацепкой? Кратеров подходящего размера (не менее трех километров) на Марсе 80 тысяч штук — попробуй найди среди них те самые. Первыми на помощь приходят орбитальные симуляции, показывающие, что падающие на Землю обломки Красной планеты редко путешествуют дольше десятков миллионов лет. Значит, нужно искать только среди нескольких сотен самых молодых кратеров.

Еще сильнее «урезать» стог сена позволяет точное определение времени выброса марсианских метеоритов, которое делается, например, термолюминесцентной датировкой. Пребывая в космосе, они подвергаются действию космических лучей, которые создают дефекты в кристаллической решетке минеральных зерен. При нагреве до температуры, близкой к плавлению, эти дефекты исчезают, и некоторые минералы испускают видимый свет, интенсивность которого пропорциональна числу дефектов. Если найти в метеорите подходящие включения, извлечь их, прогреть и измерить количество испущенного света, можно точно определить накопленную дозу космических лучей, а зная ее — рассчитать, сколько времени сам метеорит пробыл в космосе. Для шерготтитов получилось 1,1 +/- 0,2 миллиона лет, а для Черной Красавицы — около пяти миллионов лет.

Это уже радикально сужает пространство поиска: кратеров точно подходящего возраста и размера на Марсе должно быть не более пары десятков. Загвоздка с определением молодости. Классический метод — все та же кратерная датировка, по подсчету мелких кратеров на датируемом и на выбросах из него — очень трудоемкий, а молодые кратеры придется искать среди тысяч не столь молодых, но похожих на них. К тому же марсианская атмосфера не пропускает мелкие метеориты, а песчаные бури засыпают мелкие кратеры. Погрешности кратерной датировки на Марсе гораздо выше, чем на Луне.

Кратерную датировку вдобавок осложняют вторичные кратеры. Из-за них недавно пришлось пересматривать возраст молодых каньонов Атабаска (Athabasca valles) — самых недавних следов водных потоков на Марсе: неподалеку расположен молодой десятикилометровый кратер Зунил (Zunil), и многие мелкие кратеры в Атабаске образованы выброшенными из него крупными обломками.

Именно это затруднение стало источником озарения и отправной точкой для нового метода поиска молодых кратеров на Марсе.

Выбросы из кратеров разлетаются неравномерно. Они образуют лучи — длинные цепочки вторичных кратеров и переработанной ударами обломков поверхности. На Луне эти лучи сохраняются очень долго: лучевая система кратера Тихо, образовавшегося около 109 миллионов лет назад, — одна из первых структур, бросающихся в глаза при взгляде в небольшой телескоп.

На четвертой по удаленности от Солнца планете лучи кратеров просто так не разглядишь. Атмосферная пыль за считаные годы красит «вспаханный» реголит в те же оттенки красного, что у окружающей поверхности. Первую лучевую систему нашли у того же кратера Зунил на снимках «тепловизора» THEMIS на борту орбитального аппарата Mars Odyssey. Но его возраст не тот, и геология в месте удара не подходит, а разрешения THEMIS недостаточно для обнаружения лучевых систем более старых или мелких кратеров (которые все еще могут подойти).

Остается искать лучи в распределении мелких кратеров, рассеянных по всей поверхности Марса. Для этого сначала надо, ни много ни мало, картографировать все десятки миллионов этих кратеров — задача снова приобретает космические масштабы. Вручную это нереально, даже если раздать фотографии добровольцам, как поступили со снимками инфракрасного телескопа WISE, на которых те ищут девятую планету (и уже нашли несколько близких коричневых карликов).

В XX веке эта задача была бы неподъемной, но в XXI веке появилось машинное обучение, которое пришло на помощь ученым. Искусственные нейросети, конечно, справляются только с ограниченным кругом задач, но уж в тех, которые они освоили, способны превзойти в упорстве и «усидчивости» любого человека и даже большой коллектив добровольцев.

Сначала ученые натренировали нейросеть Crater Detection Algorithm находить кратеры на снимках с разрешением 25 сантиметров с камеры HiRise и определять их диаметры. Затем они предъявили ей снимки всей поверхности Марса с разрешением пять метров: на их «осмотр» у суперкомпьютера ушло более суток. Нейросеть идентифицировала 89 миллионов кратеров с диаметром более 25 метров.

Ученые визуализировали результат ее работы в виде карты их распределения на поверхности Красной планеты, на которой яркость каждого цветового канала кодировала плотность кратеров определенных диаметров. Предполагалось, что цветовая кодировка сделает лучи заметнее, поскольку диаметры вторичных кратеров известным образом зависят от расстояния до первичного и от его размера. Лучи выбросов были видны на получившейся карте отчетливо.

Тщательный осмотр выявил 19 лучевых систем, принадлежащих молодым ударным кратерам. Уточнить их возраст кратерной датировкой было делом нетрудным.

Финалисты отбора

Сделать выбор из 18 кратеров гораздо проще, чем из 80 тысяч (кратер Тутинг исключается: если уж он породил шерготтиты, то заметно отличающийся NWA 7034 никак не мог быть «запущен» из него). Возраст базальтовых пород NWA 7034 исключает северные марсианские низины и плато Фарсида, которые гораздо моложе. Остаются девять кратеров, расположенных на древних высокогорьях. Ни один из них не находится близко к вулканам, действовавшим в амазонскую эпоху,— следовательно, «астероидная» версия разогрева и дробления пород NWA 7034 подтверждается, а вулканическую можно исключить. В этом случае рядом с молодым кратером должен быть другой, выбросивший наружу породы, который вошли в состав NWA 7034. Подходящих оказалось целых два: кратеры Каррата (Karratha) и Гаса (Gasa), расположенные к западу от Фарсиды и к востоку от бассейна Эллады соответственно.

Кратер Гаса давно был под подозрением: его лучевая система была известна по инфракрасным снимкам той же камеры THEMIS, которая помогла найти лучи кратера Зунил и доказала наличие таких систем на Марсе. Но рядом расположенный кратер Килаос (Cilaos) слишком молод: ему 572 +/- 110 миллионов лет. К тому же содержание калия и тория в породах этой местности ниже, чем в NWA 7034, а сама местность расположена на выбросе из бассейна Эллада, который образовался не ранее, чем всего 4,2 миллиарда лет назад.

Лучевая система кратера Каррата не видна на инфракрасных снимках, и раньше его не подозревали в молодости. Но выяснилось, что он подходит идеально. Рядом с ним находится кратер Худжирт (Khujirt), образовавшийся 0,9-2,2 миллиарда лет назад. Толщина его выбросов рядом с Карратой достигает 60 метров, что превышает максимальную глубину, с которой удар соответствующей силы может выбить обломки в космос.

Таким образом, все марсианские метеориты, которые могли быть порождены образованием Карраты, происходят из выбросов кратера Худжирт. А их свойства, измеренные с орбиты — содержание калия и тория, остаточная намагниченность, — совпадают с характеристиками NWA 7034, измеренными на Земле. Так и была решена загадка происхождения Черной Красавицы.

Что еще означают находки марсианских метеоритов на Земле

Обосновывая гипотезу литопанспермии — переноса жизни между телами Солнечной системы, — ученые моделировали выброс обломков в космос при крупных столкновениях и, путем симуляции орбит, дальнейшую судьбу этих обломков. Оказывается, доля выброшенного материала может достигать сотых и даже десятых долей процента от массы ударников. Часть обломков падает на Солнце, часть выбрасывается из Солнечной системы, но некоторая доля выпадает на все остальные ее тела. Еще некоторые попадают на устойчивые орбиты, так и оставаясь вращаться вокруг светила.

Среди ударников были и астероиды-монстры — размером в десятки километров. Значит, масса материала, перенесенного между планетами и оставшегося на гелиоцентрических орбитах, измеряется многими миллионами и миллиардами тонн. В самом деле, его так много, что мы уже нашли множество марсианских метеоритов, исследовав на этот предмет лишь небольшую долю земной коры. В ее толще их скрывается гораздо больше.

Обратный перенос тоже возможен, хотя земная атмосфера «позволяет» обломкам покидать родную планету только при самых крупных ударах, вроде того же Чикшулуба. Если земные метеориты долетали до Луны и мы уже их там находили – то на Марсе они тоже есть. Так ли уж надо заботиться о том, чтобы микроскопическая земная жизнь не попала на Марс вместе с марсоходами?

Исследования марсианского спутника Фобоса порождали множество загадок о его происхождении. Фобос похож на астероид, но на его поверхности даже с орбиты видно минералы, больше характерные для самой Красной планеты. Если он образовался подобно земной Луне, то почему на нем есть и сугубо «астероидные» минералы? Ответ напрашивается сам собой: он просто «присыпан» выбросами от астероидных ударов по самому Марсу. Если мы находили на Луне земные метеориты, то уж на Фобосе, который в полсотни раз ближе к Красной планеты, чем Луна — к Земле, марсианского грунта должно быть предостаточно.

Доставить его оттуда к нам гораздо проще, чем с самого Марса: не нужно набирать 3,5 километра в секунду первой космической скорости и проходить через марсианскую атмосферу сначала туда, а потом обратно. У Фобоса настолько слабая гравитация, что из некоторых его точек можно взлететь на плазменных двигателях, используемых для разгона в глубоком космосе и куда более эффективных, чем обычные ракеты.

И немного о более смелых перспективах. Космос — идеальное место, чтобы что-то спрятать. На гелиоцентрических орбитах в идеальной сохранности кружатся миллиарды обломков, запечатлевших недоступные нам главы истории планет. Фрагменты ранней коры Земли, разрушенной тектоникой и эрозией, метеориты с Венеры, способные рассказать нам о ее гипотетическом прохладном прошлом гораздо больше, чем любые образцы с поверхности, и, вероятно, многое другое… Не проще ли отыскать их там?