Астрономы выяснили точные места происхождения марсианских метеоритов, что увеличивает научную ценность их исследований. Naked Science рассказывает о «естественном» способе доставки грунта с Марса на Землю и о том, как машинное обучение помогло определить происхождение марсианских метеоритов.
Доставка образцов космического вещества на Землю является одной из ключевых научных задач космонавтики. in situТо есть «на месте», но расстояние до других планет ограничивает возможности. Независимо от интереса к камню, попавшему в объектив камеры марсохода, его можно исследовать лишь при помощи оборудования, доставленного к нему заранее – тем, что уже имеется на борту марсохода, и только в счет времени, отведенного для изучения других целей.
Отправить дополнительный инструмент – это дорогостоящее мероприятие, кроме того, многие методы требуют приборов и оборудования, слишком громоздких для запуска в космос. Одним из таких методов является датировка с помощью изотопной масс-спектрометрии, которая… геохронология— геологическая история Земли — приобрела свою достоверность.
Если привезти пробу грунта на нашу планету, набор инструментов для исследователей увеличится всеми приборами, имеющимися на Земле.
Не проще ли привезти образцы домой?
Доставка проб с других планет сложнее, чем отправка туда роботов. уравнение ЦиолковскогоЗакон, устанавливающий экспоненциальную зависимость массы топлива от скорости полезной нагрузки, учитывает все торможения и дополнительные разгоны. Для достижения скорости в восемь километров в секунду и выхода на орбиту требуется масса топлива, превосходящая массу полезной нагрузки в десятки раз. Необходимость маневров или дополнительного разгона после вывода нагрузки на орбиту также увеличивает массу топлива за счет части полезной нагрузки.
Каждый дополнительный километр в секунду прибавляет к нагрузке примерно вдвое больше необходимого топлива (точное значение зависит от его типа). У Луны, а тем более у астероидов вторая космическая скоростьОна мала, и на неё можно подняться на обычной ракете – именно поэтому доставленные на Землю образцы ограничиваются этим небесным телом.
Вторая космическая скорость на Марсе равна пяти километрам в секунду. Прибавляем к этому 12-14 километров в секунду, необходимых для доставки посадочно-взлетного аппарата с поверхности Земли на Красную планету, и несколько километров в секунду на перелетную траекторию из окрестностей Марса на Землю. Добавим массу оборудования для перемещения по поверхности, идентификации и сбора образцов — получится, что для запуска миссии, которая доставит марсианский грунт на Землю «одним махом», нужна ракета, которой еще не существует.
NASA решает эту задачу в три этапа. Сначала марсоход PerseveranceМарсоход собирает образцы грунта и помещает их в капсулы. Посадочно-взлетный аппарат будет отправлен на Марс для забора проб грунта у марсохода и доставки их на низкую околомарсианскую орбиту, разгоняя до 3,5 километров в секунду (в сравнении с 9-10 километрами в секунду, необходимыми для прямого перелета с поверхности Марса на Землю). Третий космический аппарат выйдет на орбиту Красной планеты, состыкуется со взлетной ступенью и доставит ее с образцами на Землю.
По задумке, данная миссия продлится до двадцатых годов XXI века, её общий бюджет… составитЗа 200-300 граммов образцов запросят не менее семи миллиардов долларов. Марсианский грунт обойдётся в несколько раз дешевле. антиматерии.
Чтобы понять логику экономии при разделении миссии на этапы, рассмотрим пример. Допустим, миссия одного этапа требует разгонного бюджета 26 километров в секунду, но ее можно разделить на три этапа по 14 километров в секунду каждый. Если каждые два дополнительных километра в секунду удваивают массу топлива, то требуемая масса топлива в первом случае перейдёт пределы полезной нагрузки. 13 = 8192 раза, а во втором — в 27Для каждого из этапов запланировано 128 запусков. В первом варианте максимальная масса полезной нагрузки вместе с приборами и всем бортовым оборудованием не будет превышать сотен килограмм, даже при использовании сверхтяжелой ракеты. Во втором случае на ракетах-рабочих, которые в несколько раз дешевле сверхтяжелых, можно запускать по нескольку тонн на каждом этапе. Данные и вычисления приблизительны, но демонстрируют тенденцию.
Доставка грунта из одного космического объекта на другой природным способом.
Погодите, но как же тогда марсианские метеориты— Спросит читатель? Один из участников сделал немало шума четверть века назад — ALH 84001Марсианские метеориты выбрасывают с поверхности удары астероидов, которые легко придавливают обломкам вторую космическую скорость. После путешествия по Солнечной системе длительностью в миллионы лет некоторые из них падают на другие планеты, в том числе на Землю.
Марсианское происхождение некоторых метеоритов подтверждено составом элементов и газовых включений, сходными с марсианской атмосферой. Их делят на три группы по минеральному составу: шерготтиты, нахлиты и шассиньиты, а также несколько отдельных экземпляров. Всего известно 277 штук, самый большой весит 14,5 килограмма — в тысячу раз больше типичного образца. Perseverance.
Какова цель многолетних стараний NASA?
«Естественный» способ доставки марсианского грунта на Землю имеет три существенных недостатка. Отсутствие изоляции затрудняет установление факта того, что следы жизни появились именно на Марсе, а не были занесены из других мест. Невыборчивость приводит к тому, что метеориты приносят образцы с произвольных точек поверхности, а не с наиболее интересных для изучения регионов. Отсутствие геологического контекста — неизвестное место вылета метеорита и отсутствие информации о его расположении на Красной планете — не позволяет точно интерпретировать полученные данные.
На Земле учёные могут прочесть камень как открытую книгу. В его истории каждое событие – отдельная страница: кристаллизация из расплава, дробления астероидными ударами, взаимодействие с водой, выброс с поверхности и полет в космосе. Современный арсенал геологических методов позволяет с точностью установить даты и обстоятельства всех событий, которые произошли в истории камня, — составить его полную историю. curriculum vitae.
Долгая история Черной Красавицы
Героиня сегодняшнего рассказа — NWA 7034, или, как ее еще называют, Черная Красавица (Black Beauty)Этот метеорит из спрессованных фрагментов базальтовой породы является древнейшим известным образцом материала планеты. Его возраст исследователи установили по радиометрическому методу датирования на основе распада урана-238 и других долгоживущих изотопов. Черная Красавица, как показало исследование, в буквальном смысле стара как мир. Основой метеорита служит базальт, застывший 4,44-4,48 миллиарда лет назад, всего через несколько десятков миллионов лет после рождения Солнечной системы.
Самые старые сохранившиеся земные породы кристаллизовались, когда Солнце было значительно старше. Более ранние были уничтожены катаклизмами или погребены тектоникой. Подумайте об этом: среди всех пород родной планеты, изученных вдоль и поперек, не нашлось ничего столь же древнего, как гостья с Марса. Она «видела» юность нашей звездной системы, которая для нас казалась бы невообразимо далекой — в тогдашних небесных телах было трудно узнать нынешние планеты.
На Марсе больше не существовало магматического океана, но до сих пор не было 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. былиСолнечная система находилась намного ближе к Солнцу, чем сейчас, и пока не успела поменять орбиты.
Пояс Койпера был в много раз массивнее современного, а Юпитер был… раскаленИздавна краснеющий от избытка тепла аккреции, Земля могла еще не иметь спутника. Ее рождение – гигантское столкновение, происшедшее в те же годы, возможно, даже раньше.
Тем не менее, на Красной планете тогда уже была вода. Черная красавица содержит её в несколько раз больше, чем другие марсианские метеориты. Все последующие события — бомбардировку «строительным мусором» Солнечной системы и то второй всплеск3,8-4,1 миллиарда лет назад на Марсе возникли гигантские вулканы и каньоны. Планета постепенно пересыхала, а «Черная Красавица» погрузилась под слои застывшей базальтовой лавы. Около полутора миллиардов лет назад некое событие раскололо и нагрело этот материал, что привело к сбросу части изотопных хронометров. Затем обломки склеились и образовали материал, из которого сформировался NWA 7034.
Знать бы еще откуда…
Даже зная траекторию падения марсианских метеоритов и их орбиты перед столкновением, как у Челябинского астероида, невозможно с точностью до минут и километров проследить орбиту много миллионов лет назад для определения места на Марсе, откуда началось путешествие. Метеороиды обладают неустойчивыми орбитами, и даже незначительные погрешности в определении параметров со временем экспоненциально увеличиваются. Расчет орбит околоземных астероидов затруднителен даже на сотни лет вперед или назад, не говоря уже о миллионах.
Определять возраст участков марсианского ландшафта затруднительно из-за приблизительности полученной информации. стратиграфиейМожно лишь сказать, к примеру, что лавовый поток A образовался раньше разлома Б, но позже равнины В, на которой застыл, и все это было примерно два-три миллиарда лет назад. Привязать камень, образовавшийся точно 2,45 миллиарда лет назад, к кратеру на этом потоке невозможно, потому что на всей Красной планете есть еще тысячи потоков от сотен извержений, случившихся «примерно тогда».
В результате имеем полную неопределенность: имеются подробные сведения о геологическом строении некоторых точек на Марсе, однако неизвестно, где эти точки расположены. Ситуация напоминает попытку сориентировать фигуры пазла в руках без возможности рассмотреть сам пазл из-за его расположения в недоступном месте.
И все-таки они это смогли
Недавно учёные нашли способ определить место происхождения марсианских метеоритов. Помним, что не нужно исследовать каждый из 277 метеоритов: все члены одних и тех же семейств произошли из одних и тех же точек.
Naked Science уже рассказывалО методике и первых итогах стало известно — шерготтиты были изгнаны из кратера Тутинг. (TootingНа вулканическом плато Фарсида. Новый исследовательский материал, размещенный в журнале… Nature CommunicationsУчёные из Австралийского университета Кертина и других организаций под руководством Энтони Лагейна установили место происхождения Черной Красавицы. В начале рассмотрим логику этого, можно сказать, детективного расследования.
Каким может быть началом и отправной точкой? На Марсе 80 тысяч кратеров размером не менее трех километров — попробуй отыскать среди них нужные. Орбитальные симуляции показывают, что обломки Красной планеты, падающие на Землю, редко путешествуют дольше десятков миллионов лет. Следовательно, нужно искать только среди нескольких сотен самых молодых кратеров.
Точное определение времени падения марсианских метеоритов помогает ещё более точно измерить объем сноса степного сена. термолюминесцентной датировкойВ космосе объекты подвергаются воздействию космических лучей, которые образуют дефекты в кристаллической решетке минеральных зерен. При нагревании до температуры, близкой к плавлению, эти дефекты исчезают, и некоторые минералы испускают видимый свет, интенсивность которого пропорциональна числу дефектов. Если в метеорите найти подходящие включения, извлечь их, прогреть и измерить количество испущенного света, можно точно определить накопленную дозу космических лучей, а зная ее — рассчитать время пребывания самого метеорита в космосе. Для шерготтитов получилось 1,1 +/- 0,2 миллиона лет, а для Черной Красавицы — около пяти миллионов лет.
Такое сужение поиска сводится к десяткам кратеров на Марсе подходящего возраста и размера. Проблема в определении молодости кратеров. Классический метод — кратерная датировка по подсчету мелких кратеров на датируемом объекте и выбросах из него — трудоемкий. Молодые кратеры придется искать среди тысяч не столь молодых, но похожих на них. Кроме того, марсианская атмосфера не пропускает мелкие метеориты, а песчаные бури засыпают мелкие кратеры. Погрешности кратерной датировки на Марсе значительно выше, чем на Луне.
Определение возраста по кратерам усложняется вторичными кратерами. В связи с этим недавно пришлось скорректировать возраст молодых каньонов. Атабаска (Athabasca vallesНа Марсе обнаружены самые свежие следы водных потоков; неподалеку расположился молодой кратер Зунил диаметром десять километров, а многие небольшие кратеры в Атабаске образовались от выброшенных из него крупных фрагментов.
Эта трудность выступила источником вдохновения и послужила отправной точкой для разработки нового метода поиска молодых кратеров на Марсе.
Выбросы из кратеров распространяются неравномерно, образуя лучи — длинные ряды вторичных кратеров и перемешанных обломками поверхности. На Луне эти лучи сохраняются длительное время: лучевая система кратера Тихо, появившегося около 109 миллионов лет назад, — одна из первых заметных структур при просмотре в простой телескоп.
На четвёртой от Солнца планете разглядеть лучи кратеров проблематично из-за пыли атмосферы, которая за короткий срок окрашивает поверхность в красный цвет. Первую лучевую систему обнаружили у кратера Зунил на снимках тепловизора. THEMIS на борту орбитального аппарата Mars OdysseyЕго возраст не соответствует фактам, а геологическое строение места падения неприемлемо для разрешений. THEMISДля выявления лучевых систем кратеров, которые по размеру и возрасту меньше, не хватает возможностей.
Поиск лучей в распределении мелких кратеров, покрывающих поверхность Марса, требует картографирования десятков миллионов этих образований. Это задача огромного масштаба, неразрешимая вручную даже при привлечении большого числа добровольцев для обработки фотографий, как это было с инфракрасными снимками телескопа. WISE, на которых те ищутНайдено несколько коричневых карликов, похожих на девятую планету.
В XX веке выполнение этой задачи было бы невозможным, однако в XXI веке машинное обучение стало на помощь ученым. Искусственные нейросети справляются только с ограниченным кругом задач, но в решении этих задач способны превзойти любого человека и даже большую группу добровольцев по упорству и «усидчивости».
Сначала ученые натренировали нейросеть Crater Detection AlgorithmИскать кратеры на фотографиях с разрешением 25 сантиметров, сделанных камерой. HiRiseОпределив диаметры, специалисты предъявили ей снимки всей поверхности Марса с разрешением пять метров. «Осмотр» для суперкомпьютера занял больше суток. Нейросеть идентифицировала 89 миллионов кратеров с диаметром более 25 метров.
Ученые отобразили результат исследований в виде карты распределения лучей на поверхности Марса. Яркость каждого цвета указывала плотность кратеров определённых диаметров. Предполагалось, что цветная кодировка сделает лучи более заметными, поскольку размеры вторичных кратеров зависят от расстояния до первичного и его размера. Лучи выбросов были хорошо видны на карте.
В ходе тщательного осмотра обнаружили 19 лучевых систем, относящихся к молодым ударным кратерам. Определить их возраст с помощью кратерной датировки оказалось лёгким делом.
Финалисты отбора
Выбор из 18 кратеров проще, чем из 80 тысяч (кратер Тутинг исключен: если 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 значительно моложе. Остаются девять кратеров 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, которые вошли в состав NWA 7034. Подходящих оказалось два: кратеры Каррата ( Karratha) и Гаса (GasaНаходящиеся западнее Фарсиды и восточнее бассейна Эллады.
Кратер Гас долгое время находился под вниманием исследователей: его лучевая система наблюдалась с помощью инфракрасных снимков, сделанных той же камерой. THEMISОна помогла обнаружить лучи кратера Зунил и подтвердила существование подобных систем на Марсе. Рядом с ним находится кратер Килаос. CilaosВозраст слишком мал: примерно 572 ± 110 миллионов лет. В породах этой местности содержание калия и тория меньше, чем в NWA 7034, а само место расположено на выбросе из бассейна Эллада, который образовался не ранее 4,2 миллиарда лет назад.
Лучевую систему кратера Каррата нельзя увидеть на инфракрасных снимках, поэтому ранее предполагали его зрелость. Однако оказалось, что возраст кратера совпадает с ожидаемым. Вблизи расположился кратер Худжирт (…). KhujirtОбразовавшаяся около 0,9-2,2 миллиардов лет назад структура имеет толщину выбросов рядом с Карратой до 60 метров, что больше предельной глубины, с которой удар подобной силы может выбросить обломки в космос.
Вследствие этого все марсианские метеориты, которые могли быть связаны образованием Карраты, поступают из выбросов кратера Худжирт. Их характеристики, измеренные с орбиты — содержание калия и тория, остаточная намагниченность, совпадают с характеристиками NWA 7034, измеренными на Земле. Таким образом, была решена загадка происхождения Черной Красавицы.
Что открывают находки марсианских метеоритов на нашей планете?
Обосновывая гипотезу литопанспермииУченые моделировали выброс обломков в космос при крупных столкновениях. С помощью симуляции орбит исследователи изучили дальнейшую судьбу этих обломков. Выяснилось, что доля выброшенного материала может составлять сотые и даже десятые доли процента от массы ударников. Часть обломков падает на Солнце, часть выбрасывается из Солнечной системы, а некоторая доля попадает на все остальные её тела. Некоторые обломки занимают устойчивые орбиты и продолжают вращаться вокруг Солнца.
В число ударников входили астероиды огромных размеров — десятки километров каждый. Следовательно, масса материала, перемещенного между планетами и оставшегося на гелиоцентрических орбитах, измеряется многими миллионами и миллиардами тонн. Его так велико количество, что мы уже обнаружили много марсианских метеоритов, исследовав лишь незначительную часть земной коры.
Возвращение фрагментов обратно на планету возможно, но земная атмосфера препятствует этому в случае с большинством метеоритов, кроме тех, что вызваны крупными столкновениями. ЧикшулубаЕсли земные метеориты достигли Луны и нас там нашли, то на Марсе есть подобные. Следует ли быть столь внимательным к тому, чтобы микроскопическая земная жизнь не попала на Марс вместе с марсоходами?
Изучение спутника Марса Фобоса вызвало много вопросов о его происхождении. Фобос внешне напоминает астероид, однако на его поверхности даже с орбиты видны минералы, типичные для самой Красной планеты. Если предположить, что он образовался подобно земной Луне, то почему на нём присутствуют и «астероидные» минералы? Ответ очевиден: Фобос «присыпан» выбросами от астероидных ударов по Марсу. Если на Луне были обнаружены земные метеориты, то на Фобосе, который находится в сотню раз ближе к Красной планете, чем Луна к Земле, должно быть предостаточно марсианского грунта.
Перевезти его оттуда к нам легче, чем с 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 точек можно взлететь на… плазменных двигателяхИспользуемые для ускорения в глубинном космосе, эти двигатели значительно превосходят обычные ракеты по эффективности.
Про космические перспективы. Космос — идеальное место для сокрытия чего-либо. На гелиоцентрических орбитах в идеальной сохранности вращаются миллиарды обломков, хранящих нам недоступные главы истории планет. Фрагменты ранней коры Земли, разрушенной тектоникой и эрозией, метеориты с Венеры, способные поведать о ее гипотетическом прохладном прошлом больше, чем любые образцы с поверхности, и, вероятно, многое другое… Не проще ли отыскать их там?