Марсианский «Лось»

Марсоход Curiosity обнаружил на красной планете аномальную зону 31 Июль 2015, 07:31
Марсоход Curiosity (от английского «любопытство») работает на Марсе уже три года. В конце мая 2015 года установленный на аппарате российский прибор ДАН обнаружил на красной планете аномальную зону. «Чердак» узнал у разработчика ДАН, что именно обнаружил аппарат.
Это был очень сильный сигнал. Я помню этот день, когда на нашей очередной оперативке после ночной смены Дима Головин просто показал картинку, и мы увидели, что горизонтальная линия на графике сменилась «стенкой», которая резко поднимается вверх
рассказывает заведующий отделом ядерной планетологии Института космических исследований РАН, руководитель научной группы прибора ДАН, доктор физико-математических наук Игорь Митрофанов.

Удаленные глаза и руки

Чтобы понять возбуждение ученого от изменения линий на графике, сначала нужно разобраться, как именно астрофизики исследуют другие планеты. Пока люди побывали только на одном небесном теле, кроме Земли, — на Луне, все данные для ученых собирают роботы. Часть аппаратов обращается на орбитах высоко в космосе, а некоторые спускаются на поверхность и путешествуют. Марсианских роботов-исследователей, которые могут перемещаться по планете, называют марсоходами, или (прижившаяся калька с английского) роверами.

Марсоходы предыдущего поколения — Sojourner, Spirit и Opportunity (последний до сих пор работает на поверхности Марса) — обладали весьма скромным набором инструментов: у «близнецов» Spirit и Opportunity, например, их было всего пять, и они по сути являлись «глазами». Камеры и спектрометры роверов могли только разглядывать марсианские камни, получать их спектры, снимать в разных диапазонах и с разным увеличением, но попробовать булыжники «на вкус», то есть разложить на химические составляющие, они не могли. Единственным «активным» инструментом Spirit и Opportunity была металлическая щетка на манипуляторе, которая могла счистить поверхностный слой с камня, чтобы марсоход мог лучше рассмотреть его.
Компьютерная модель марсохода Curiosity за работой. Изображение: NASA/JPL-Caltech/Malin Space Science Systems
Curiosity оснастили куда серьезнее. Официальное название проекта — Mars Science Lab («марсианская научная лаборатория»), и это не преувеличение. После посадки ровера на Марсе оказалось целых десять научных приборов — невиданное ранее количество. Один из самых эффектных — камера ChemCam, которая «стреляет» лазером в выбранные учеными камни, а затем анализирует спектр полученного газа. На манипуляторе марсохода установлен небольшой бур, который может проделать в породе отверстие глубиной около 10 сантиметров (пока это самые глубокие скважины на Марсе). Полученную каменную пыль марсоход отправляет в универсальную химическую лабораторию SAM, где в специальной печи образцы нагреваются, высвобождая летучие компоненты, например воду или органические соединения. Помимо прочего на ровере установлена первая на Марсе метеостанция (создана в Испании), датчик радиации, множество камер для разных целей.
«Селфи» марсохода Curiosity, склеенное из фотографий, сделанных камерой MAHLI. Фото: NASA/JPL-Caltech/Malin Space Science Systems

Ловец нейтронов

ДАН (Динамическое альбедо нейтронов) — один из двух неамериканских приборов на борту Curiosity. Он «наследник» подобных устройств, которые группа Митрофанова разрабатывала для многих космических миссий. Первый из них — HEND — был создан для зонда NASA Mars Odyssey, и именно он впервые обнаружил подповерхностный лед на Марсе, границы которого простирались до средних широт планеты. Затем похожий прибор LEND был установлен на орбитальный зонд LRO — с его помощью был найден лед в приполярных областях Луны.
Инструменты группы Митрофанова — своего рода нейтронные телескопы: они измеряют поток нейтронов, «выбитых» с поверхности и подповерхностного слоя планеты частицами космических лучей. Все космические тела подвергаются непрерывной бомбардировке частицами высоких энергий. Когда они сталкиваются с грунтом, рождаются вторичные нейтроны, которые замедляются и поглощаются атомами породы. Поток нейтронов зависит от состава грунта и в первую очередь — от того, есть ли в нем водород или водородосодержащие соединения. Водород эффективно замедляет нейтроны (при столкновении с ядром водорода нейтрон теряет сразу половину энергии), поэтому над регионами, где в грунте много водорода, резко снижается поток надтепловых («быстрых») нейтронов и растет поток тепловых (тех, энергия которых сопоставима с тепловой энергией атомов в среде, где они находятся).
Так выглядит один из модулей ДАНа. Фото: ИКИ РАН
Измеряя спектр нейтронного потока, ученые могут оценить долю водорода, а значит и воды. Большое количество водорода почти со стопроцентной вероятностью означает, что в грунте много воды: другие водородосодержащие вещества на Марсе редки. Ученые полагают, что скорее всего вода на красной планете находится в «связанной» форме в виде гидратированных минералов, где молекулы H​2​​O включаются в их структуру.

На марсоходе Curiosity установлена «продвинутая» версия прибора: к детектору нейтронов добавлена активная часть, импульсный нейтронный генератор, созданный во ВНИИА имени Духова. Собственный источник нейтронов позволяет лучше оценить поглощение нейтронов в грунте и, следовательно, получить больше данных о его свойствах.

Митрофанов отмечает, что ожидаемый срок работы генератора нейтронов составлял лишь год. «Но он продолжает работать, и шестого августа исполнится уже три года его работе на поверхности Марса. У него потихонечку падает интенсивность, но мы легко компенсируем это, увеличивая продолжительность сеансов работы в активном режиме. То есть там, где раньше было достаточно излучать импульсы 10 минут, мы сейчас их излучаем 20 минут», — поясняет ученый.

Необъяснимая аномалия

Во время движения марсохода генератор не включают, но даже в «расслабленном» режиме работы прибора ученым удалось засечь странную геологическую зону, получившую не менее загадочное обозначение «Лось» (Elk).

По словам Митрофанова, это произошло в конце мая 2015 года, прямо перед тем, как Марс заходил за другую сторону Солнца и проект готовился к «спячке»: пока красная планета за Солнцем, с марсоходом нельзя связаться — помехи от солнечной короны слишком сильны. Когда закончился последний перед «спячкой» рейс марсохода, ученые получили и раскодировали полученные от ровера данные с ДАНа, и увидели, что на графике очень резко — в 2,5-3 раза — вырос поток тепловых нейтронов. То есть прямо под марсоходом было очень много водорода, а значит, воды.

По расчетам исследователей выходило, что в подозрительном месте в грунте около 10% H​2​​O — больше, чем где бы то ни было на маршруте Curiosity. До сих пор доля воды в породах, которые исследовал марсоход, не превосходила 5%. Примерно столько содержится в бетонном полу. Помимо высокого содержания водорода, прибор ChemCam увидел в этой зоне аномально высокое содержание диоксида кремния (70—80%) — на Земле это чаще всего кварц.
Камень с высоким содержанием кремния на снимке камеры Curiosity MAHLI. Фото: NASA/JPL-Caltech/MSSS
«Программа на следующий отрезок пути составляется во время предыдущего «рейса» — она запускается сразу после очередной стоянки, после передачи данных, поэтому к моменту, когда мы увидели «стенку» на графике, марсоход уехал вперед на 46 метров», — говорит Митрофанов. После того как Марс вышел из-за Солнца летом 2015 года, руководство миссии приняло беспрецедентное решение сделать первый в истории Curiosity разворот на 180 градусов и исследовать эту зону более тщательно.
«Мы вернулись в эту область, пересекли ее три раза, провели серию наблюдений. Мы провели там примерно десяток активных измерений, работал рентгеновский спектрометр APXS и действительно получилось, что там совершенно аномальное пятно», — говорит Митрофанов. Под относительно тонким слоем вещества 10—12 сантиметров, где мало водорода, находится слой толщиной минимум метр-полтора, и там больше 10% воды. На Земле такая доля Н20 содержится, например, в глинах или филлосиликатах, которые хорошо абсорбируют воду.

«Но самое удивительное, что эта область имеет такие резкие границы. Все рассуждают, что кратер Гейла — это дно бывшего моря или озера, но тогда мощность гидратированных отложений должна была расти постепенно, но эта штука имеет размер нескольких метров, а перепад в концентрации водорода — в несколько раз», — поясняет Митрофанов.
Таким видит марсоход орбитер Reconnaissance. Всего за три года Curiosity проехал чуть больше 10 км. Фото: NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona
Ученый предполагает, что, возможно, Curiosity приехал в какую-то принципиально новую геологическую область, где такие очаги будут возникать все чаще и чаще, но не исключено, что это странная локальная точка, которую мы больше никогда не увидим. «Тогда возникает вопрос, что в этой точке, что в этой области произошло такое особенное, почему она так сильно отличается от всей предыдущей окрестности», — говорит исследователь.

Сейчас марсоход бурит породу в нескольких метрах от зоны «Лось», но ученые надеются, что он еще вернется и проведет детальный химический анализ.

«Было бы очень здорово, если бы SAM (химическая лаборатория в «чреве» марсохода) провел анализ этого вещества. ChemCam обнаружил высокую концентрацию двуокиси кремния, но он видит только на поверхности, — рассуждает Митрофанов. — А по нашим данным, там первый десяток сантиметров нет такого количества воды — она начинается на глубине. Я могу точно сказать, что там что-то очень интересное, и это надо изучать, потому что ничего похожего мы раньше нигде не видели».