Марсианин: как выжить на Красной планете
Шрифт:
Итак, существование воды на Марсе в древности и в настоящее время доказано. Напрашивался следующий шаг – попытаться найти следы каких-либо форм жизни. На красную планету отправился еще один марсоход – «Кьюриосити» («Curiosity», «Mars Science Laboratory», «MSL»), что означает «Любопытство».
Новый аппарат разительно отличался от предшественников, в том числе и по массе. Если масса «Марсианского орбитального разведчика» составила 2180 кг, то стартовая масса нового аппарата равна 3839 кг. При этом комплекс «MSL» делится на три основные части: перелетная ступень, обеспечивающая полет по траектории от Земли к Марсу; система обеспечения входа в атмосферу, торможения и посадки; сам марсоход массой 899 кг.
Основная цель проекта была сформулирована так: исследование и описание конкретного района Марса с проверкой наличия там в прошлом или настоящем природных условий, благоприятных для существования жизни (вода, энергия, химические ингредиенты). Фактически к старому лозунгу марсианских исследований «Ищи воду!» новый марсоход добавляет: «Ищи углерод!» Биологический «потенциал» зоны посадки ученые предполагали определить на основе анализа наличия и количества органических соединений и тех химических элементов, которые являются основой жизни, а также путем поиска ее внешних проявлений. Параллельными задачами, как и раньше, является описание геологии и геохимии района посадки на всех возможных пространственных масштабах, изучение планетарных процессов,
Для выполнения научной части миссии «Кьюриосити» оснащен комплексом из 10 научных приборов суммарной массой 75 кг, которые подразделяются на обзорные инструменты (размещенные на мачте на высоте около 2 м над грунтом планеты), контактные (выносимые к объекту исследования с помощью манипулятора) и аналитические (для анализа образцов грунта и атмосферы Марса). В эту классификацию не входят десантная камера, работающая на этапе спуска, и приборы радиационного контроля и метеонаблюдений. Для сравнения – марсоход «Оппортьюнити» имеет комплект научной аппаратуры общей массой всего 5 кг, а масса одного лишь анализатора SAM на борту «Кьюриосити» составляет 40 кг. Все научное хозяйство и рабочие части марсохода питаются от расположенного в хвостовой части генератора типа MMRTG, имеющего в своем составе 4,8 кг радиоактивного изотопа плутония-238, и рассчитанного на 14 лет. Полная стоимость проекта составила примерно 2,5 млрд долларов.
Запуск нового марсохода состоялся 26 ноября 2011 года, а мягкая посадка на поверхность Марса произошла 6 августа 2012 года. Доставить рекордный груз на красную планету оказалось непросто. Поэтому специалисты придумали особую схему посадки, использующую так называемый «небесный крюк» (Sky Crane). Ровно за 10 минут до входа в атмосферу десантный комплекс отделяется от перелетной ступени. Затем с помощью двигателей ориентации, работающих сквозь проемы в хвостовом обтекателе, десантный комплекс останавливает вращение, разворачивается теплозащитным экраном вперед и смещает центр тяжести путем отстрела двух балансировочных вольфрамовых грузов массой по 75 кг. После снижения до 11 км и торможения до 405 м/с вводится в действие парашютная система; через 20 секунд отделяется лобовой теплозащитный экран, начинают работать посадочный радиолокатор и видеокамерой «MARDI». Еще через некоторое время включаются восемь двигателей регулируемой тяги, после чего происходит разделение с хвостовым обтекателем и увод в сторону. На высоте 20 м происходит подрыв пироболтов, и ровер спускается вниз на трех нейлоновых тросах, по пути расчековывая и переводя в рабочее состояние подвеску и колеса. Все это время он остается соединенным с посадочной ступенью гибким силовым и информационным кабелем. Когда ровер прочно встает на грунт, посадочная ступень переходит в зависание, три троса и кабель перерезаются пироножами, а ступень включает двигатели на полную тягу на 4 секунды и уходит вверх и назад от места посадки.
Многие комментаторы скептически оценивали работоспособность «небесного крюка», и все же «Кьюриосити» благополучно прибыл на Марс, высадившись в кратере Гейл, в точке с координатами 4,6° южной широты и 137,4° восточной долготы. Место работы выбирали, исходя из задач миссии. Кратер Гейл диаметром 154 км образовался в диапазоне от 3,5 до 3,8 млрд лет назад. Он лежит почти на границе грандиозного уступа: к югу находится нагорье с высотами 4–6 км над средним радиусом планеты, а местность к северу лежит на 3 км ниже среднего. Дно кратера в его северной части лежит на 4,5 км ниже среднего радиуса Марса, а потому атмосферное давление в нем близко к максимально возможному на планете. Температура воздуха изменяется в пределах от 0 до +90 °C. Количество воды в грунте, по данным российского прибора HEND на спутнике «Марс Экспресс», – от 5 до 6,5 % по массе. Центральная возвышенность – это не простой пик, она занимает значительную часть площади кратера и состоит из нескольких сотен видимых слоев горизонтального залегания. Официальное ее название – Эолова гора (Aeolis Mons), но члены научной группы «MSL» используют другое имя, данное в память о Роберте Шарпе, который на протяжении более полувека преподавал геологию в Калифорнийском технологическом институте, входил в научные группы первых марсианских миссий НАСА и считается в США «отцом» планетологии. Объектом интереса ученых в кратере Гейл являются сама гора Шарпа, слоистые склоны которой, как показало зондирование с орбиты, сформированы минералами водного происхождения. Предполагается, что самые интересные слои горы – нижние, наиболее древние и самые доступные для марсохода. Планетологи надеются, что складывающие их породы сформировались в ту эпоху марсианской истории, когда атмосфера была плотнее, а воды было, во-первых, много, а во-вторых, она не была слишком кислой.
Минимальный срок службы «Кьюриосити» был определен в один марсианский год (686 земных суток), однако за это время он даже не сумел добраться до горы Шарпа – на путь к ней ему понадобилось 1000 суток, ведь по дороге ученые увидели много интересного и требующего внимания.
Исследования продолжаются, но и того, что удалось выяснить, хватило, чтобы прийти к выводу: дно кратера Гейл состоит из отложений, образовавшихся на дне большого озера на протяжении десятков миллионов лет. Все нижние горизонты горы Шарпа представляют собой сотни перемежающихся слоев озерных, речных и ветровых отложений. Они свидетельствуют о многократном заполнении и испарении озера, которое, по мнению ученых, занимало большую часть площади кратера. Более того, таких постоянных озер на Марсе могло быть много.
Заместитель научного руководителя миссии Ашвин Васавада заявил: «Если наша гипотеза выдержит проверку, она поставит под сомнение взгляды о том, что теплые и влажные условия возникали кратковременно, были локальными или вообще существовали только под поверхностью Марса. Более радикальное объяснение состоит в том, что древняя плотная атмосфера Марса держала температуру выше точки замерзания в глобальном масштабе, но пока мы не знаем, как она это делала».
Что касается следов жизни, то нас, похоже, скоро ждут новые сенсации. 24 марта 2015 года научная группа анализатора «SAM», стоящего на «Кьюриосити», объявила о первом обнаружении азота в составе газа, выделяющегося при нагреве образцов грунта. Азот входил в состав оксида NO, который, вероятно, образовался при разложении нитратов, а нитраты, как известно, содержат азот в форме, легко используемой живыми организмами. Пока нет подтверждений, что марсианские нитраты могут быть продуктом жизнедеятельности; в небольших количествах они образуются в небиологических процессах (удары метеоритов, вулканическая деятельность и грозовые разряды). Тем не менее, поскольку доказано, что в прошлом жидкая вода и органические вещества присутствовали в кратере Гейл, то открытие нитратов – еще одно свидетельство того, что условия древнего Марса были очень благоприятны для жизни.
Подлинная история Марса
Если просуммировать современные представления научного сообщества о Марсе, сформированные данными, поступающими с космических аппаратов, то историю красной планеты можно описать следующим образом.
Формирование Марса в виде твердого стабильного тела Солнечной системы завершилось 4,1 млрд лет назад. В то время у него была достаточно плотная атмосфера, которая удерживала солнечное тепло (парниковый эффект), что позволяло не замерзнуть и не испариться многочисленным водоемам. Время от времени на Марс падали метеороиды и кометы – «мусор», оставшийся после формирования Солнечной системы из протопланетного облака (точно такой же бомбардировке подвергались все «внутренние» планеты, включая Землю), что способствовало тектонической активности и стимулировало процессы зарождения простейших форм жизни. Этот теплый и благоприятный для возникновения биосферы период называют «ноахием» (эпоха Ноя, Noachian epoch) по региону Земля Ноя (Noachis Terra), который почти в неприкосновенности сохранился с тех давних пор. Он продолжался 300 млн лет – до рубежа в 3,8 млрд лет. Затем (или прямо в ходе ноахия) произошло какое-то катастрофическое событие – на Марсе вдруг развилась бурная вулканическая активность (к примеру, начали извергаться огромные вулканы в регионе Фарсида, Tharsis), появились крупные ударные кратеры, лежащие на одной дуге большого круга: Аргир, Эллада, Исида, Тавмасия, Утопия (Argyre, Hellas, Isidis, Thaumasia, Utopia). Скорее всего, на Марс упал металлический астероид размером в 1000 км, причем перед падением он под действием гравитации Марса развалился на несколько кусков. Понятно, что катастрофа коснулась всей планеты – колоссальные потоки лавы и кипящей воды понеслись по ней, сметая все на своем пути. Миллионы тонн камней и пепла были выброшены в атмосферу и космос; некоторые из обломков долетели даже до Земли, и сегодня в Антарктиде находят так называемые «марсианские метеориты». Сама планета повернулась на 90o, старые полюса оказались на экваторе. Глобальная буря продолжалась миллионы лет – в период, названный «гесперием» (Hesperian epoch) опять же в честь одноименного района (Hesperia Planum): его рубеж определен в 3 млрд лет назад. Именно тогда сформировался великий северный океан и огромные водоемы южного континента. Примерно 3,4 млрд лет назад снова произошло нечто катастрофическое – возможно, в северный океан упало еще одно космическое тело диаметром 2000 км. В результате чудовищного удара образовалась Великая Северная Равнина (Vastitas Borealis), дно которой лежит на 4–5 км ниже среднего радиуса планеты. Огромные слои грунта и коры планеты были выброшены в небо и упали в противоположном полушарии планеты. Часть этих обломков осталась на низкой орбите, «слепившись» потом в спутник Фобос. Вновь заработали вулканы, и начал извергаться новый и самый огромный из них – Олимп (Olympus Mons). Ударная волна вызвала перенапряжение в коре Марса, и планета буквально лопнула: на ее лике появился уродливый шрам в виде Долины Маринеров (Valles Marineris). В атмосферу поступило такое количество диоксида серы и сероводорода, что практически вся вода стала «кислой», и на планете долго шли дожди из серной кислоты. Во второй половине гесперия Марс начал терять атмосферу и быстро остывать, вступая в третью и последнюю эру, названную «амазонием» (Amazonian epoch). Химически активные процессы привели к формированию железных окисей (ржавчины), покрывших всю планету – Марс стремительно покраснел.
Реконструкция истории Марса, сделанная учеными, производит впечатление и оставляет надежду найти там если не инопланетную жизнь, то хотя бы ее следы, сохранившиеся со времен ноахия. Однако у сторонников новой «катастрофической» концепции формирования Марса есть оппоненты. Они говорят, что большая часть обнаруженных месторождений глин, судя по минералогическому составу, не контактировала с атмосферой, то есть всю историю водные потоки находились под слоями грунта (гидротермальные системы), а великий северный океан был скован льдом. Те глины, состав которых указывает на формирование под открытым небом, обнаружены в сравнительно молодых образованиях (в долинах рек и озерных бассейнах), появившихся на изломе эпох – между поздним ноахием и ранним гесперием, что может быть объяснено как космической бомбардировкой, так и естественным ростом вулканизма, «разогревшим» планету. Кроме того, оппоненты напоминают, что датировка элементов марсианской поверхности основана исключительно на подсчете числа кратеров по аналогии с Луной, но если красная планета неоднократно подвергалась чудовищным космическим ударам, сопровождавшимся выбросами части коры в космос, то такой метод теряет достоверность. Образование равнины Vastitas Borealis могло произойти не 3,4 млрд лет назад, а в раннем ноахии – и тогда вся история Марса выглядит как медленное угасание изначально обреченного мира, в прошлом которого никогда не было периодов, благоприятных для возникновения жизни. То есть сначала был холодный вымороженный мир, потом по нему ударили огромным астероидом, в результате чего он покипел и поиспарялся, а затем снова остыл, вернувшись к первозданному, хотя и несколько «помятому» виду.
Спор между учеными о том, как выглядел древний Марс, может продолжаться долго, поэтому, чтобы разрешить его, НАСА запланировало новую миссию – аппарат «МАВЕН» («MAVEN», «Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN») стартовал в сторону красной планеты 18 ноября 2013 года и успешно вышел на ареоцентрическую орбиту 22 сентября 2014 года. С помощью хитроумного оборудования он будет изучать атмосферу Марса и сумеет наконец установить, как она менялась на протяжении миллионов лет.
В заключение этого обзора стоит упомянуть об открытии, косвенно указывающем на существование каких-то форм жизни под поверхностью современного Марса. В феврале 2005 года на первой большой конференции, посвященной промежуточным итогам изучения красной планеты с помощью аппарата «Марс Экспресс», было сделано заявление о том, что планетарный спектрометр «PFS» выявил в атмосфере Марса значительное количество метана, который может иметь вулканическое или биологическое происхождение. Известно, что под действием ультрафиолетового излучения метан разрушается за триста-четыреста лет, и для того чтобы его содержание оставалось на выявленном уровне (11 частей на миллиард), необходимо ежегодное поступление в количестве около 150–200 т. Теоретически для этого достаточно химических процессов в грунте – окисления железа горячих базальтовых пород с выделением водорода, который соединяется с углеродом, образуя метан. Однако обращает на себя внимание, что зоны, где количество метана выше среднего по Марсу, географически очень четко накладываются на области с повышенным же содержанием льда и водяных паров (в 2–3 раза выше среднего). Таких областей три: Земля Аравия (Terra Arabia), равнина Элизий (Elysium Planitia), Аркадия и Мемнония (Arcadia-Memnonia) – все они находятся поблизости от экватора, в умеренных широтах южного полушария. Примечательно также, что в этих зонах обнаружено большое содержание формальдегида (130 частей на миллиард). Формальдегид в условиях марсианской атмосферы должен разлагаться всего лишь за 7,5 часов. Чтобы он тем не менее присутствовал в наблюдаемых количествах, необходим гораздо более высокий уровень «производства». Формальдегид получается при окислении метана, причем в реальных марсианских условиях, в присутствии оксидов железа и влаги в грунте и под воздействием солнечного ультрафиолета, этот процесс идет очень легко. Но если это так, то темп «производства» метана должен быть намного выше – порядка 2–5 млн т в год. Какой процесс может обеспечить столь высокий уровень поступления метана в атмосферу? Только бешеная вулканическая активность, которой сегодня на Марсе не наблюдается. С другой стороны, органическая жизнь может быть хорошим «поставщиком» метана (и, следовательно, формальдегида) в наблюдаемых количествах, синтезируя его из углекислого газа и водорода. К примеру, на Земле годовое поступление метана в атмосферу – около 500 млн т, и почти весь он биологического происхождения.