Благодаря новым методам, астрономы теперь могут с высокой точностью устанавливать места, откуда произошли марсианские метеориты, что существенно увеличивает важность научных исследований, основанных на их изучении. Naked Science рассказывает о «естественном» механизме, посредством которого марсианский грунт попадает на Землю, и о том, как машинное обучение помогло определить происхождение марсианских метеоритов.
Одной из ключевых научно-исследовательских задач космонавтики является доставка образцов вещества из космоса на Землю. Благодаря современным технологиям, существует возможность проводить детальное изучение таких внеземных материалов in situ, наличие возможности проводить анализ «на месте» является важным преимуществом, однако расстояния до других планет накладывают определенные ограничения. Даже если астероид привлек внимание камеры марсохода, его исследование возможно только с использованием имеющегося оборудования, доставленного на борт, и только в рамках времени, отведенного на выполнение других задач.
Доставка дополнительного инструмента является слишком дорогостоящей, а для реализации многих подходов требуется оборудование и приборы, которые не могут быть размещены на ракетах. Одним из таких методов является датировка с использованием изотопной масс-спектрометрии, позволяющая геохронология — геологическая летопись Земли была точно определена.
Доставив образец грунта на Землю, исследователи смогут использовать для его изучения всем доступным на нашей планете инструментарием.
Почему не доставить образцы непосредственно к месту проживания?
К сожалению, доставка образцов с других планет значительно сложнее, чем отправка туда роботов. Это обусловлено беспощадным уравнение Циолковского, в соответствии с известным законом, масса топлива, требуемая для ускорения полезной нагрузки, возрастает в геометрической прогрессии с увеличением скорости. В уравнение включаются все процессы: как начальный разгон, так и последующие торможения и дополнительные ускорения. Для достижения скорости в восемь километров в секунду и вывода аппарата на околоземную орбиту необходимо количество топлива, которое во много десятков раз превышает массу самой полезной нагрузки. Если после вывода аппарата на орбиту требуются маневры или дополнительный разгон, то масса топлива для этих целей также увеличивает общую массу.
Для каждого дополнительного километра в секунду разгона нагрузки требуется примерно вдвое большая масса топлива (точные значения зависят от типа используемого топлива). Это особенно заметно применительно к Луне и, тем более, к астероидам вторая космическая скорость мала, и с них можно улететь на простой одноступенчатой ракете — потому именно этими небесными телами доставленные на Землю образцы ограничиваются.
На Марсе вторая космическая скорость составляет пять километров в секунду, что суммируется с 12-14 километрами в секунду, требуемыми для транспортировки посадочно-взлетного аппарата с Земли на Красную планету, и с дополнительными километрами в секунду, необходимыми для перелета из окрестностей Марса на Землю. Если добавить к массе образцов необходимое оборудование для передвижения по поверхности, идентификации и сбора перспективных образцов, то становится очевидно, что для запуска с Земли миссии, которая доставит марсианский грунт на нее за один запуск, потребуется ракета, которой пока 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 предварительным данным, завершение этой миссии ожидается 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.
Разделение миссии на этапы позволяет экономить, что можно объяснить простым примером. Предположим, для выполнения миссии в один этап требуется разгон до 26 километров в секунду, но ее можно разбить на три этапа, каждый из которых потребует разгон до 14 километров в секунду. При этом, каждое увеличение скорости разгона на два километра в секунду приводит к удвоению необходимой массы топлива, что в первом случае приведет к тому, что ее масса превысит массу полезной нагрузки в 2 13 = 8192 раза, а во втором — в 27 = в первом сценарии максимальная масса полезной нагрузки, включающая приборы и все необходимое бортовое оборудование, не будет превышать сотни килограммов, даже при использовании ракеты сверхтяжелого класса. Во втором сценарии, даже при использовании более экономичных ходовых ракет, можно будет выводить на орбиту несколько тонн на каждом этапе. Приведенные цифры и расчеты являются приблизительными, однако демонстрируют общую тенденцию.
«Перемещение грунта с одной планеты на другую посредством естественных процессов
Погодите, но как же тогда марсианские метеориты, спросит читатель? Один из них вызвал значительный резонанс еще двадцать пять лет назад — ALH 84001, в ходе исследования был обнаружен объект, напоминающий микроскопические окаменелости, однако последующие исследования не подтвердили гипотезу о его биологическом происхождении. Марсианские метеориты покидают поверхность планеты под воздействием ударов астероидов, способных придать обломкам вторую космическую скорость. После путешествия по Солнечной системе, длящееся миллионы лет, некоторые из них достигают других планет, включая Землю.
Бесспорное марсианское происхождение некоторых метеоритов подтверждено анализом их элементного состава и газовых включений, которые по составу соответствуют марсианской атмосфере. В зависимости от минерального состава эти метеориты подразделяются на три основные группы: шерготтиты, нахлиты и шассиньиты, а также на отдельные экземпляры. На сегодняшний день известно 277 таких метеоритов, причем самый крупный из них имеет вес 14,5 килограмма, что в тысячу раз превышает вес типичного образца, доставленного в капсуле Perseverance.
Какова же тогда цель многолетней работы NASA?
У «естественного» метода доставки марсианского грунта на Землю имеется три существенных ограничения. Одним из них является отсутствие изоляции. Даже если в метеорите будут обнаружены убедительные признаки древней жизни, может быть сложно установить, что эти следы не появились в нем уже на Земле, где метеорит находился до момента его обнаружения. Другой недостаток – отсутствие целенаправленности. Исследователи, управляющие марсоходами, направляют их в наиболее перспективные районы планеты для поиска наиболее интересных образцов, в то время как астероиды выбрасывают марсианские метеориты хаотично. И, наконец, отсутствует геологический контекст. Не только метеорит прибыл из случайной точки на поверхности Красной планеты, но и мы не располагаем информацией о точном местоположении этой точки.
На нашей планете ученые способны анализировать горные породы подобно чтению открытой книги. Каждый этап в их истории – это отдельная страница: кристаллизация из магмы, разрушение в результате ударов астероидов, взаимодействие с водой, выветривание на поверхности и даже путешествие в космическом пространстве. Современные геологические методы, в частности, изотопная датировка, позволяют точно определить время и условия всех событий, пережитых горной породой, – и таким образом составить ее полную curriculum vitae.
Долгая история Черной Красавицы
Героиня сегодняшнего рассказа — NWA 7034, или, как ее еще называют, Черная Красавица (Black Beauty). Этот метеорит, сформированный из сцементированных фрагментов базальта, представляет собой древнейший из известных образцов материала, происходящего из планет. Возраст метеорита был установлен исследователями посредством метода радиоизотопской датировки, основанного на распаде урана-238 и других долгоживущих изотопов. Оказалось, что метеорит «Черная Красавица» действительно очень древний. Базальтовая порода, составляющая его основу, затвердела 4,44–4,48 миллиарда лет назад, то есть всего через сто миллионов лет после формирования Солнечной системы.
Кристаллизация древнейших земных пород произошла в эпоху, когда Солнце было значительно старше; более ранние образцы были разрушены катастрофами или скрыты тектоническими процессами. Этот факт поразителен: среди всех изученных пород Земли не было ничего столь же древнего, как этот марсианский образец. Он «свидетельствовал» о невероятно раннем периоде развития нашей звездной системы, когда трудно было бы узнать современные планеты в тех небесных телах.
На Марсе не сохранился магматический океан, однако не сформировались и известные сегодня элементы ландшафта: вулканы Фарсиды, долина Маринера, равнина Эллады и другие крупные ударные бассейны. 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.
Несмотря на это, вода уже присутствовала на Красной планете. Этот метеорит, прозванный «Черная красавица», содержит ее в значительно большем количестве, чем другие марсианские метеориты. Последующие события, такие как бомбардировка «строительным мусором» Солнечной системы и ее второй всплеск примерно 3,8–4,1 миллиарда лет назад сформировались гигантские марсианские вулканы и каньоны, а затем Марс начал постепенно высыхать. Черная Красавица оставалась погребенной в слоях застывшей базальтовой лавы. Около полутора миллиардов лет назад некое событие привело к разрушению и нагреву этих материалов, что вызвало «сброс» некоторых изотопных хронометров. После этого обломки были сцементированы, образовав материал, из которого сформировался NWA 7034.
Знать бы еще откуда…
Даже если бы у нас была возможность наблюдать падение марсианских метеоритов в атмосферу и рассчитывать их траектории до столкновения, подобно тому, как это было сделано с Челябинским астероидом, невозможно отследить конкретную орбиту на протяжении миллионов лет с необходимой точностью – до минут и километров – чтобы определить точное место на поверхности Марса, откуда началось её путешествие. Траектории метеороидов не являются стабильными, и даже незначительные ошибки в определении параметров орбиты со временем приводят к экспоненциальному росту погрешностей. Расчет орбит околоземных астероидов затруднителен даже на сотни лет вперед или назад, не говоря уже о миллионах.
Определение возраста участков марсианского ландшафта затруднено из-за существующих неточностей. Для этого используют кратерную датировку геологических формаций и относительные методы стратиграфией. Можно лишь отметить, что, например, лавовый поток A сформировался до разлома Б, который пересекает его, но после равнины В, где он остыл, и все это произошло около двух-трех миллиардов лет назад. Точно установить связь между образцом камня, возраст которого составляет 2,45 миллиарда лет, и кратером, расположенным на этом потоке, невозможно, поскольку на всей планете Марс существует еще тысячи потоков, образованных в результате сотен извержений, произошедших «примерно в то же время».
У нас есть детальные сведения о геологическом прошлом отдельных участков поверхности Марса, однако неизвестно, где именно они находятся. Это похоже на попытку собрать фрагменты пазла, не имея представления о его общей картине и расположении.
И все-таки они это смогли
Ученые недавно разработали метод установления места происхождения марсианских метеоритов. Следует отметить, что не обязательно проводить анализ каждого из 277 метеоритов, поскольку все метеориты, принадлежащие к одному семейству, имеют общее происхождение.
Naked Science уже рассказывал об их методе и первых результатах — оказалось, шерготтиты были выброшены из кратера Тутинг (Tooting) на вулканическом плато Фарсида. Согласно недавнему исследованию, результаты которого были опубликованы в журнале Nature Communications, группа ученых из Университета Кертина и других исследовательских институтов Австралии, под руководством Энтони Лагейна, установила происхождение сорта винограда Черная Красавица. Чтобы понять суть этого почти детективного исследования, начнем с самого начала.
Что может послужить отправной точкой и стать ключевой зацепкой? На Марсе насчитывается 80 тысяч кратеров подходящего размера (не менее трех километров) — попробуй найти среди них те самые. Орбитальные симуляции, показывающие, что обломки Красной планеты редко достигают Земли более чем за несколько десятков миллионов лет, оказываются первыми помощниками. Таким образом, поиск следует ограничить несколькими сотнями самых молодых кратеров.
Точное определение времени выброса марсианских метеоритов позволяет значительно уменьшить объем необходимого запаса сена, что, к примеру, термолюминесцентной датировкой. Находясь в космическом пространстве, метеориты подвергаются воздействию космических лучей, что приводит к образованию дефектов в кристаллической структуре минералов. При нагревании до температур, близких к точке плавления, эти дефекты устраняются, и некоторые минералы начинают излучать видимый свет, чья интенсивность зависит от количества присутствующих дефектов. Определив количество испущенного света после извлечения и нагрева подходящих включений в метеорите, можно установить накопленную дозу космических лучей и, следовательно, вычислить время, в течение которого метеорит находился в космосе. Для шерготтитов это время составило 1,1 +/- 0,2 миллиона лет, а для метеорита Черная Красавица — приблизительно пять миллионов лет.
Это существенно ограничивает возможности поиска: на Марсе не более нескольких десятков кратеров, соответствующих заданным критериям возраста и размера. Сложность заключается в определении молодости. Традиционный подход, основанный на кратерной датировке – подсчете малых кратеров на исследуемой поверхности и выбросах из нее – является весьма трудоемким, поскольку молодые кратеры предстоит выделять из множества более старых, но внешне похожих на них. Кроме того, марсианская атмосфера препятствует проникновению небольших метеоритов, а песчаные бури засыпают кратеры малого размера. В результате погрешности кратерной датировки на Марсе значительно выше, чем на Луне.
Вторичные кратеры также затрудняют определение возраста по кратерной датировке. Это потребовало пересмотра возраста молодых каньонов Атабаска (Athabasca valles) — самые свежие свидетельства существования водных потоков на Марсе: в непосредственной близости находится молодой кратер Зунил (Zunil) диаметром около десяти километров, а многочисленные небольшие кратеры в Атабаске образовались в результате выброса из него крупных обломков.
Именно это затруднение послужило толчком к новому пониманию и стало началом разработки метода поиска молодых кратеров на поверхности Марса.
Распределение выбросов из кратеров происходит неоднородно. В результате формируются лучи — протяженные цепи вторичных кратеров и обломков поверхности, образовавшихся в результате ударов. На Луне эти лучевые системы остаются заметными на протяжении длительного времени: лучевая система Тихого кратера, возникшего примерно 109 миллионов лет назад, является одной из первых структур, привлекающих внимание при наблюдении в телескоп.
На четвертой планете от Солнца лучи кратеров не видны из-за атмосферной пыли. Она за короткий срок покрывает «вспаханную» поверхность реголита теми же оттенками красного, что и окружающая среда. Первая лучевая система была обнаружена возле кратера Зунил на тепловых снимках» THEMIS на борту орбитального аппарата Mars Odyssey. Но его возраст не соответствует, а геологические условия в точке падения не совпадают, а разрешения THEMIS недостаточно для обнаружения лучевых систем более старых или мелких кратеров (которые все еще могут подойти).
Необходимо продолжать поиск закономерностей в распределении небольших кратеров, равномерно покрывающих марсианскую поверхность. Для этого требуется, без преувеличения, составить карту десятков миллионов этих кратеров — задача, которая вновь выходит за рамки обычного масштаба. Ручное выполнение этой работы невозможно, даже если привлечь волонтеров для обработки фотографий, как это было сделано со снимками, полученными с инфракрасного телескопа WISE, на которых те ищут девятую планету (и уже нашли несколько близких коричневых карликов).
В XX веке решение этой задачи казалось невозможным, однако в XXI веке на помощь ученым пришло машинное обучение. Искусственные нейросети, безусловно, решают лишь определенный круг задач, но в тех областях, в которых они применяются, способны превзойти любого человека и даже крупную группу добровольцев по настойчивости и трудоспособности.
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 представили результат исследования в виде карты, показывающей распределение этих объектов на поверхности Марса. Яркость каждого цветового канала на карте отражала плотность кратеров определенного диаметра. С помощью цветовой кодировки планировалось сделать лучи более заметными, поскольку диаметры вторичных кратеров напрямую связаны с расстоянием до первичного объекта и его размером. На полученной карте лучи выбросов были отчетливо видны.
Проведенный анализ показал наличие 19 лучевых систем, связанных с молодыми ударными кратерами. Определение их возраста с помощью кратерной датировкой не представляло затруднений.
Финалисты отбора
Выбор из 18 кратеров представляется гораздо более простым, чем из 80 тысяч (кратер Тутинг исключается, поскольку, если он стал причиной образования шерготтитов, то существенно отличающийся NWA 7034 никак не мог быть «выброшен» из него). Возраст базальтовых пород NWA 7034 исключает северные марсианские низины и плато Фарсида, которые значительно моложе. В результате остаются девять кратеров, расположенных на древних высокогорьях. Ни один из них не находится вблизи вулканов, действовавших в амазонскую эпоху, — следовательно, «астероидная» гипотеза, объясняющая нагрев и дробление пород NWA 7034, получает подтверждение, а вулканическая версия может быть отвергнута. В таком случае, рядом с молодым кратером должен находиться другой, который выбросил наружу породы, впоследствии вошедшие 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.
Кратер Гаса уже давно вызывал подозрения, поскольку его лучевая система была зафиксирована инфракрасными снимками той же камеры THEMIS, которая способствовала обнаружению лучей кратера Зунил и подтвердила существование подобных структур на Марсе. Но находящийся поблизости кратер Килаос ( Cilaos) возраст этого метеорита, вероятно, слишком мал, составляя 572 +/- 110 миллионов лет. Кроме того, концентрация калия и тория в горных породах в этом районе ниже, чем в метеорите NWA 7034. Место находки расположено на выбросе из бассейна Эллада, формирование которого датируется не ранее 4,2 миллиарда лет назад.
Инфракрасные снимки не позволяют увидеть лучевую систему кратера Каррата, поэтому ранее он не рассматривался как молодой объект. Однако, дальнейшие исследования показали, что он соответствует всем признакам молодого кратера. Недалеко от него расположен кратер Худжирт ( Khujirt), этот кратер сформировался 0,9-2,2 миллиарда лет назад. Рядом с Карратой его выбросы достигают 60 метров в толщину, что больше максимальной глубины, необходимой для вывода в космос обломки при ударе подобной силы.
Следовательно, все марсианские метеориты, возникшие в результате формирования Карраты, происходят из выбросов кратера Худжирт. Характеристики этих метеоритов, определенные с орбиты — содержание калия и тория, остаточная намагниченность, — соответствуют параметрам NWA 7034, полученным в ходе исследований на Земле. Таким образом, удалось разрешить вопрос о происхождении метеорита Черная Красавица.
Какие дополнительные сведения предоставляют марсианские метеориты, обнаруженные на Земле
Обосновывая гипотезу литопанспермии — переноса жизни между телами Солнечной системы, — исследователи создавали компьютерные модели выброса обломков в космическое пространство в результате масштабных столкновений и, используя симуляцию траекторий, определяли дальнейшую судьбу этих фрагментов. Согласно полученным данным, количество выброшенного материала может составлять сотые и даже десятые доли процента от массы сталкивающихся объектов. Некоторые обломки падают на Солнце, другие покидают пределы Солнечной системы, однако определенная их часть достигает всех остальных ее тел. Кроме того, часть обломков оказывается на стабильных орбитах и продолжает вращаться вокруг светила.
Среди ударников присутствовали и астероиды-монстры, достигавшие десятков километров в поперечнике. Это говорит о том, что количество вещества, перенесенного между планетами и сохранившегося на гелиоцентрических орбитах, оценивается в миллионы и миллиарды тонн. Действительно, его объем настолько велик, что нам уже удалось обнаружить множество метеоритов марсианского происхождения, исследовав лишь незначительную часть земной коры. В ее слоях скрыто еще больше подобных объектов.
Обратный перенос также возможен, однако земная атмосфера допускает вылет обломков за пределы планеты лишь в случае масштабных столкновений, подобных упомянутому Чикшулуба. Если земные метеориты достигали Луны, и мы уже обнаружили их там, то они наверняка присутствуют и на Марсе. Насколько оправданно беспокоиться о том, что микроскопические формы земной жизни могут быть занесены на Марс вместе с марсоходами?
Изучение марсианского спутника Фобоса вызывает множество вопросов о его формировании. Он напоминает астероид, однако даже с орбиты заметны минералы на его поверхности, которые более свойственны самой Марсу. Если он сформировался аналогично земной Луне, то почему на нем присутствуют минералы, типичные для астероидов? Очевидное объяснение заключается в том, что он покрыт материалом, выброшенным в результате астероидных столкновений с Марсом. Если на Луне обнаруживаются земные метеориты, то на Фобосе, находящемся в полсотни раз ближе к Марсу, чем Луна к Земле, марсианского грунта должно быть в значительном количестве.
Транспортировка оттуда к нам значительно легче, чем с Марса: не требуется разгоняться до 3,5 километров в секунду – необходимой первой космической скорости – и преодолевать марсианскую атмосферу в обоих направлениях. Гравитация Фобоса настолько мала, что из определенных его областей можно взлететь на плазменных двигателях, они значительно эффективнее традиционных ракет и применяются для разгона в глубоком космосе.
Космос открывает и более смелые возможности. Это отличное место для хранения информации. На гелиоцентрических орбитах миллиарды обломков вращаются в идеальных условиях, храня свидетельства недоступных нам этапов истории планет. Среди них – фрагменты ранней земной коры, уничтоженной тектоническими процессами и эрозией, метеориты с Венеры, способные предоставить больше данных о ее предполагаемом прохладном прошлом, чем образцы, взятые с поверхности, и, вероятно, еще многое другое… Было бы проще найти их там?