В пыли красной планеты. Ученый рассказал, как искать жизнь на Марсе

МОСКВА, 27 янв — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Никаких аномальных выбросов метана на Марсе не происходит, установили российские ученые на основе анализа данных, полученных в рамках программы "ЭкзоМарс-2016". Это противоречит выводам, сделанным ранее по измерениям марсохода Curiosity и орбитального аппарата "Марс-Экспресс". Значимое количество метана в атмосфере Красной планеты давало бы надежду найти там жизнь. О возникшей коллизии и как ее лучше всего разрешить РИА Новости рассказал Олег Кораблев, научный руководитель спектрометрического комплекса ACS, руководитель отдела физики планет ИКИ РАН.

Ученые находят метан

Вопрос, есть или нет на Марсе метан (CH₄), находится в центре научного и общественного интереса не один десяток лет. На Земле львиная доля этого парникового газа вырабатывается живыми организмами. Кое-что поступает из недр при разработке месторождений ископаемого топлива и в результате геотермальной активности. В последние годы свой вклад вносит оттаивание многолетней мерзлоты в Арктике, скрывающей залежи газогидратов.

На Марсе до сих пор ни жизни, ни вулканов, ни месторождений углеводородов не обнаруживали, хотя потенциально все это там может быть. Например, при наличии жидкой воды на Красной планете сложились бы условия для образования кристаллов метана (клатратов). А вот газообразного метана, по идее, там быть не должно, однако его нашли.

Дело в том, что атмосфера Марса очень кислотная — почти на 96 процентов состоит из углекислого газа. Есть в ней и сильные окислители, такие как перекись водорода. Метан — восстановленное соединение и не может там долго существовать. Кроме того, его разрушает солнечное излучение. Молекулы метана в атмосфере Красной планеты распадаются примерно за триста лет. Если же их там все-таки много, не исключено, что источник находится под поверхностью и выбросы происходят регулярно.

"Метан искали на Марсе с первых экспедиций. Приборы тогда были, по современным представлениям, несовершенные, но уже пытались измерять полосу CH₄ в районе трех микрон. Без особого успеха. В 2003 году запустили аппарат "Марс-Экспресс" со спектрометром PFS на борту, созданном при нашем участии. Его идейным вдохновителем был профессор Василий Мороз, много лет руководивший нашим отделом. Это послужило поводом серии сообщений о метане на Марсе", — рассказывает Олег Кораблев.

Первая публикация принадлежит Владимиру Краснопольскому с коллегами, сотруднику Католического университета Америки (США). По данным наземного телескопа "Канада — Франция — Гавайи", установленного на горе Мауна-Кеа, они определили, что метан в атмосфере Марса есть.

Затем — статья по результатам работы научного коллектива PFS во главе с итальянским астрофизиком Витторио Формизано и сообщения Майкла Мумма из Центра космических полетов Годдара в США, опиравшегося также на наблюдения наземных измерений (полностью анализ опубликовали лишь в 2009 году).

Все три научные группы получили сходные показатели содержания метана в атмосфере: три-десять частей на миллиард в объеме (ppbv). Это на несколько порядков меньше, чем на Земле, где около двух частей на миллион, но все же немало.

Метан точно есть, но откуда?

"Обсуждение этого вопроса активизировалось, когда к работе на поверхности Марса приступил ровер NASA Curiosity с комплексом приборов SAM для забора и анализа проб атмосферы и грунта. Там есть отдельный канал, спектрометр на перестраиваемом лазере TLS", — продолжает ученый.

TLS предназначен для измерения содержания кислорода и метана, изотопного состава CO₂. Взятый из атмосферы воздух помещают в 20-сантиметровую кювету и облучают лазером. Световой луч 81 раз отражается от зеркал, суммарно пробегая 16 метров. Поглощение излучения лазера на этом оптическом пути регистрирует очень чувствительный детектор.

© NASA / JPL

Спектрометр TLS обладает совершенным разрешением — именно с его помощью в кратере Гейла обнаружены выбросы метана

Сначала результаты TLS, за которые отвечает группа Криса Вебстера из Лаборатории реактивного движения в Пасадене (США), были негативными: метана нет. Спустя два года его все-таки нашли, в том числе используя метод обогащения пробы: из кюветы с воздухом откачивали углекислый газ и пары воды, в результате парциальное давление каждого из оставшихся газов повышалось. Это позволило измерить концентрацию метана на уровне меньше одной части на миллиард в объеме.

Подтвердились и выявленные ранее всплески содержания метана. Еще в 2003 году группа Мумма зафиксировала выброс этого газа в период, когда в Северном полушарии было лето, — примерно 45 ppbv. Это единичное событие, предположили ученые, но тогда надо допустить, что на поверхности действует некий фактор, разрушающий метан за небольшое количество лет. Вероятнее всего, какой-то сильный окислитель.

Curiosity зарегистрировал также сезонные колебания метана. Данные за три марсианских года, что соответствует примерно шести земным, показали, что кратковременные пики в районе семи ppbv наблюдаются, когда в Северном полушарии заканчивается лето. Вебстер с коллегами сделали вывод, что небольшие локальные источники метана находятся под поверхностью, возможно, в кратере Гейла, где с 2012 года работает марсоход. Публикация 2018 года подтвердила эти результаты.

© NASA/JPL-Caltech/SAM-GSFC/Univ. of Michigan

Если газ поступает регулярно из подповерхностных источников, то он должен постепенно накапливаться в атмосфере, но этого не происходит — следовательно, действует неизвестный механизм разрушения метана

TGO не нашел метан. Вопрос закрыт?

В 2016 году начался первый этап европейской программы "ЭкзоМарс": на орбиту Красной планеты прибыл аппарат Trace Gas Orbiter, или просто TGO.

"На этой волне интереса к метану все, конечно, ждали запуска TGO, и вообще была необходимость в независимых чувствительных измерениях газов в атмосфере Марса. Например, следы каких-то тонких химических процессов или вулканических выбросов, которые показали бы, что это не совсем мертвая с геологической точки зрения планета. Исследование малых атмосферных составляющих — вот главная задача этого спутника. На борту ею занимаются два прибора из четырех. Это схожие по принципу работы спектрометры — российский ACS и бельгийский Nomad", — говорит Олег Кораблев.

Оба прибора измеряют спектры излучения молекул газов в атмосфере двумя способами: в отраженных от поверхности солнечных лучах и в исходящем от планеты тепловом излучении, а также во время затмений, то есть глядя прямо на Солнце, когда оно скрыто краем планеты.

© Роскосмос/ЕКА/АЦС/ИКИ

Спектральный диапазон, в котором работают приборы ACS

"Орбита круговая, низкая — 400 километров, с достаточно коротким периодом. За земные сутки мы успеваем наблюдать 24 затмения: 12 восходов, 12 заходов. Это богатый материал для исследования", — объясняет он.

TGO фактически приступил к измерениям весной 2018 года.

"Для столь тяжелого спутника не так просто сформировать низкую круговую орбиту. Потребовалось больше года применять технологию аэроторможения. Первые затмения мы наблюдали 21 апреля. Данные с того момента и до октября 2018-го легли в основу публикации в Nature. Метан не обнаружили. Важно, что к этому результату пришли две независимые группы ученых, анализировавшие данные двух разных приборов", — подчеркивает ученый.

Исследователи провели большую работу по очистке данных от шумов, которые снижали точность результатов. Вычислили верхний предел концентрации метана: 50 частей на триллион. Это в десять раз меньше, чем его фоновое содержание в атмосфере, зафиксированное Curiosity.

Такая точность — заслуга российского прибора ACS. Его разрешающая способность в два раза выше, чем у бельгийского, и раз в двадцать, чем у PFS. Преимущество и в методе наблюдения в затмениях, и в увеличенной светосильности. Nomad же создан по образцу спектрометра SPICAV/SOIR миссии "Венера Экспресс", созданного, кстати, тоже российскими учеными в середине нулевых.

© Роскосмос/ESA

Кратер Гейла на Марсе, снятый аппаратом TGO российско-европейской миссии "ЭкзоМарс-2016"

В модель не укладывается

"Мы не считаем, что в данных TLS есть ошибки. Это очень совершенный прибор, обладающий абсолютным спектральным разрешением. В отличие от него ACS и Nomad используют Солнце — некогерентный источник, белый для человеческого глаза. На самом деле он не такой ровный, там есть еще линии поглощения в атмосфере. Сначала спектрометр смотрит на чистое Солнце, потом на него через атмосферу, затем мы делим одно на другое и получаем чистый спектр атмосферы и огромный оптический путь", — объясняет тонкости Олег Кораблев.

Еще одна особенность орбитальных измерений — ослабление сигнала пылью и облаками. Причем облака на Марсе, как и на Земле, — из водяного льда.

"Если забыть о кислороде, который произвела миллиард лет назад биосфера Земли, и подняться на высоту около 20 километров, мы окажемся в очень похожих на марсианские условиях", — замечает ученый.

Орбитальные спектрометры измеряют профиль атмосферы начиная с высоты 200 километров и до нескольких километров над поверхностью, а TLS на Curiosity работает в кратере, расположенном почти на экваторе. Предположим, марсоходу невероятно повезло и он находится рядом с единственным источником метана на Марсе.

"Если выброс из этого источника произошел всего один раз, то его следы скоро исчезнут, поскольку у метана ограничено время жизни. С другой стороны, время распада — 300 лет. Тогда почему его концентрация заметно меняется? Атмосфера на Марсе перемешивается чуть медленнее, чем земная, но все равно за месяц даже самые застойные полярные области полностью перемешаются. А в районе экватора — за несколько дней. Если есть где-то источник периодических выбросов, метан постепенно накопится в атмосфере и за 20 лет его будет столько, что мы бы уже увидели. В общем, пока не получается склеить эти два источника данных, если не предположить непонятных еще механизмов, которые происходят в атмосфере", — говорит Кораблев.

В атмосфере Марса, кроме углекислого газа и кислорода, присутствуют — в очень небольших количествах — монооксид углерода (угарный газ), азот, аргон и другие соединения. Их жизненные циклы более-менее описываются моделями. Даже перекись водорода поддается расчетам. Метан же с его пиками и сезонными колебаниями не укладывается ни в одну из существующих физико-химических моделей атмосферы Марса.

"Каждые несколько месяцев выходит статья, где предлагают очередной механизм разрушения метана на основе лабораторных экспериментов, имитирующих марсианскую атмосферу. Чтобы описать происходящее в реальной атмосфере, нужно изменить модели, не трогая другие составляющие. Пока не получается", — отмечает Кораблев.

© ESA/Roscosmos

К поискам метана на Марсе приступили в начале 2000-х годов. С тех пор его не раз находили в значимых количествах, в том числе в виде выбросов. Однако эти результаты подвергаются критике

Снова выброс метана, видимый только США

Статья Олега Кораблева и его коллег, вышедшая в апреле 2019 года, вызвала большой резонанс. Особенно на фоне того, что накануне очередная публикация по данным PFS подтвердила один из старых всплесков метана, зарегистрированных с марсохода, на уровне 15,5 ppbv.

"Не хочется никого критиковать, но если к данным Curiosity есть доверие, потому что сам прибор измеряет метан очень хорошо, то измерения метана на PFS в таких количествах внушает сомнение. Это на грани его чувствительности", — указывает ученый.

PFS — это фурье-спектрометр, предназначенный для изучения поверхности Марса, составления температурных профилей атмосферы, определения состава аэрозолей по поглощению в отраженных солнечных лучах. Его спектральное разрешение гораздо ниже, чем у TLS, ACS и Nomad. Для таких чувствительных измерений, как концентрация метана, он не очень подходит. Хотя то, что спектрометр работает на орбите с 2003 года, делает честь его разработчикам.

"Это хороший прибор, но для своих целей. Спектрометр для TGO конструировался специально для регистрации метана, тогда как в 1990-х, когда делали PFS (а разрабатывали его первый вариант еще для советского аппарата "Марс-96"), никто не решался предложить искать метан на Марсе как признак жизни. Это было дурным тоном. Теперь парадигма поменялась", — добавляет Кораблев.

Уже 24 июня в NASA заявили, что Curiosity зарегистрировал огромный выброс метана в кратере Гейла — 21 ppbv, в три раза больший, чем выброс 2013 года. Вскоре выяснилось, что этот скоротечный "плюм" очень быстро растворился, низведя уровень метана до фонового. Ученые из России и ЕС перепроверили данные TGO за тот период, но следов выброса не нашли.

Критика скептиков

Как климатические скептики критикуют глобальное потепление, так группа метаноскептиков сомневается в присутствии метана на Марсе. Они считают это все рекламным ходом, а результаты — притянутыми за уши. Лидер этого направления Кевин Занле из Центра космических исследований и астробиологии Эймса NASA ниспровергает все астрономические наблюдения по метану, указывая на многочисленные противоречия в анализе данных PFS. С критикой выступает также Франк Лефевр из LATMOS (Франция), где создаются модели циркуляции атмосферы Марса. В одной из последних публикаций, принадлежащих ученым Кембриджа (Великобритания) и Университета Вашингтона, показано отсутствие сильной зависимости концентрации метана от сезонных циклов.

"Я сам начинал с искренней верой, что мы обнаружим метан", — признается Олег Кораблев и уточняет, что на данный момент наиболее достоверные данные по этому параметру дают только три инструмента: ACS и Nomad на TGO и TLS на Curiosity.

С ними не сравнятся ни данные наземных наблюдений, ни измерения PFS. Данные MENCA — анализатора нейтрального состава экзосферы Марса с метановым сенсором на борту индийского аппарата Mars Orbiter Mission — пока не опубликованы. В статье 2019 года о результатах наблюдений MENCA метан не упоминается. Робот-сейсмолог NASA InSite, который сейчас работает на поверхности, располагает только метеостанцией.

"Так что наши измерения метана на долгосрочную перспективу станут последним словом", — заключает ученый.

Есть ли жизнь на Марсе

В отличие от Земли, поверхность которой постоянно перестраивается, на Марсе недра спокойнее, поэтому есть выходы очень древних горных пород, в рельефе сохранились русла и озера. Считается, что в самом начале эволюции, более трех-четырех миллиардов лет назад, на Красной планете был непродолжительный теплый период, а на поверхности — жидкая вода.

"Мы не знаем, зарождалась жизнь на Земле или где-то еще, но то, что между внутренними планетами Солнечной системы происходил обмен веществом, это факт. На Земле есть метеориты с Марса — и, видимо, наоборот. Не исключено взаимное осеменение планет, а может быть, жизнь занесли тела не из нашей системы. Если уж она началась, уничтожить ее практически невозможно: жизнь приспосабливается к самым экстремальным условиям. Обнаруживают же микроорганизмы на большой глубине на Земле, почему бы и на Марсе им не быть? На глубине жидкая вода, скорее всего, есть", — рассуждает Олег Кораблев.

Исследовать грунт с глубины около двух метров позволит марсоход, который отправится на Красную планету в рамках совместного проекта "Роскосмоса" и ЕКА — "ЭкзоМарс-2020".

"Но мне кажется наиболее оптимальным решением вопроса возврат грунта с Марса на Землю. Есть множество признаков, по которым можно выбрать наиболее перспективные места для забора образцов, в том числе возраст, минералогический состав. Комплекс SAM на марсоходе способен датировать грунт. Лучше всего взять пробы с глубины. Вряд ли найдем что-то живое, но какие-то следы — вполне вероятно", — говорит он.

Задача эта очень сложная. Вернуть даже единственную капсулу с грунтом за одну экспедицию невозможно — не хватит топлива. Значит, нужно действовать поэтапно. Сначала доставить на поверхность марсоход для забора грунта. Именно это планирует NASA с помощью миссии "Ровер-2020".

Следующий этап — отправка модуля, который заберет образцы из ровера и доставит на орбиту. И заключительный шаг — аппарат принимает на орбите груз и летит на Землю. Чтобы все это сработало, нужно беспрецедентное объединение усилий ведущих космических игроков и немного удачи.