Кратер Езеро заготовил много интересного для марсохода «Марс-2020»

Рис. 1. Слева: кратер Езеро крупным планом. В левом верхнем углу хорошо видно русло древней реки. Цветами показана относительная высота участков рельефа: чем светлее оттенок, тем выше. Овалом обозначен предполагаемый район работы планетохода «Марс-2020». Справа: более общий план участка марсианской поверхности с указанием положения кратера Езеро. Он находится на краю равнины Исиды (Isidis Planitia). Изображения с сайтов jpl.nasa.gov и en.wikipedia.org

Летом 2020 года НАСА планирует запустить на Марс планетоход «Марс-2020». Главная задача миссии — астробиологические исследования, в том числе поиски следов древней жизни на основе изучения доступных геологических материалов. Несколько лет ученые обсуждали, какое место на поверхности Красной планеты может оказаться самым перспективным с этой точки зрения. И наконец определились — это будет кратер Езеро, в древности представлявший собой озеро, в которое впадали реки. В дельте одной из таких древних рек ученые надеются найти стромалитоподобные постройки или другие свидетельства присутствия микроорганизмов. В двух статьях, которые одна за другой вышли в журналах Icarus и Geophysical Research Letters, рассказывается, почему для работы американского марсохода было выбрано именно это место.

Запуск миссии «Марс-2020» запланирован на лето 2020 года. Если не случится накладок и запуск состоится в июле, то миссия достигнет поверхности планеты в феврале 2021 года. По своей конструкции планетоход «Марс-2020» в целом аналогичен своему предшественнику — марсоходу Curiosity. Он будет оборудован приборами для анализа химического и минералогического состава марсианской почвы, обнаружения в реголите органических соединений (рентгенофлуоресцентным спектрометром, ультрафиолетовым рамановским спектрометром), а также георадаром, который зондирует геологическое строение недр на глубину до 10 метров с разрешением в один сантиметр.

Ранее при помощи орбитального спутника Mars Reconnaissance Orbiter, запущенного в 2005 году, был детально изучен состав поверхности Марса. С помощью установленного на его борту спектрометра CRISM, работающего в видимом и инфракрасном спектре, были составлены подробные минералогические карты, на которых хорошо видны зоны развития различных групп минералов — окислов, силикатов, карбонатов.

Особый интерес с точки зрения поисков следов древней жизни представляют карбонаты. На Земле именно они слагают раковины морских беспозвоночных, скелеты кораллов, а также строматолиты — ископаемые остатки древних цианобактериальных матов. К тому же карбонатные окаменелости прекрасно сохраняются в осадочных породах миллиарды лет. Древнейшие строматолиты, найденные в земных породах, имеют возраст 3,7 млрд лет (см. Найдены строматолиты возрастом 3,7 млрд лет — древнейшие следы жизни на Земле, «Элементы», 05.09.2016).

Кроме того, карбонаты, образующиеся в результате взаимодействия между углекислым газом и водой, сохраняют в изотопном составе своих элементов информацию о климате и составе древней атмосферы во время их образования.

Спектрометрическая съемка CRISM выявила тянущуюся вдоль берега древнего озера, располагавшегося когда-то в кратере Езеро, полосу карбонатных пород, а в районе дельты палеореки — глинистые минералы типа Mg-Fe-смектита, относящиеся к группе водных слоистых силикатов (рис. 2). О том, что кратер был заполнен водой и представлял собой озеро, говорят глинистые отложение на его дне, а также характерные формы рельефа берегов с дельтами рек и каналов.

Рис. 2. Спектрометрическое изображение района «западной дельты» — дельты палеореки в западной части кратера Езеро. Полоса карбонатных пород выделяется зеленым цветом, глинистые минералы — сиреневым. Иллюстрация с сайта brown.edu

Большинство речных сетей на Марсе были активны со второй половины нойского до первой половины гесперийского периодов (3,8–3,5 млрд лет назад). Об этом свидетельствует глубина долин и каньонов, разрезающих нижненойские отложения, а также подсчет возраста долин по нарушающим их кратерам (A. D. Howard et al., 2005. An intense terminal epoch of widespread fluvial activity on early Mars: 1. Valley network incision and associated deposits). Речная активность в районе западной дельты прекратилась примерно 3,8 ± 0,1 млрд лет назад (C. Fassett, J. Head, 2008. Valley network-fed, open-basin lakes on Mars: distribution and implications for Noachian surface and subsurface hydrology), а озеро в кратере могло существовать еще некоторое время после этого.

Кстати, кратер получил свое имя от населенного пункта Езеро в Боснии и Герцеговине, название которого переводится как «озеро». Ученые считают, что это наилучшее место для поиска следов древней жизни на Марсе. Они надеются обнаружить здесь строматолитоподобные структуры, которые в земных условиях формировались на дне мелководных водоемов вдоль древних береговых линий, где было много света.

Предполагается, что после высадки на кромке кратера марсоход спустится вниз, пройдет вдоль полосы карбонатных пород в одном и другом направлении, захватит зону дельтовых отложений и через два года завершит свой путь на дне кратера (рис. 3).

Рис. 3. Предполагаемый маршрут движения планетохода «Марс-2020». Изображение с сайта jpl.nasa.gov

«Марс-2020» будет отбирать образцы карбонатных пород весом около 20 грамм каждый, запечатает их в металлические цилиндры размером с шариковую ручку и затем оставит их в определенном месте на поверхности Марса, чтобы будущая миссия смогла забрать эти образцы на Землю для изучения.

На сегодняшний день на поверхности Марса уже скопилось около полукилограмма образцов, собранных марсоходом Curiosity. Проект по возвращению этих и собранных миссией «Марс-2020» проб Mars sample return (MSR) сейчас разрабатывается НАСА и Европейским космическим агентством (ЕКА). К январю 2020 года должны быть согласованы бюджет проекта и его общая архитектура. Возвращаемая ракета должна быть запущена в 2026 году. По плану она достигнет поверхности Марса в 2028 году, а в 2031 году образцы будут доставлены на Землю.

Американские и французские ученые под руководством Брайони Хорган (Briony H. N. Horgan) из Университета Пердью (США) провели детальный анализ минералогических и морфологических свойств геологических образований в западной части кратера Езеро и в районе западной дельты. Результаты исследования опубликованы в журнале Icarus.

В качестве исходных материалов использовались гиперспектральные изображения (Hyperspectral imaging) в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, полученные с помощью спектрометра CRISM, а также фотоизображения высокого разрешения и цифровые модели рельефа. Гиперспектральные датчики обрабатывают информацию во всем электромагнитном спектре, а по спектрам объектов можно судить об их составе.

Исходя из топографических особенностей и расположения по отношению к другим геологическим формациям, авторы делают вывод о том, что карбонатные породы, зафиксированные в виде полосы вдоль западного края кратера, являются озерными карбонатами, осажденными в прибрежной среде палеоозера (рис. 4). То есть, это не переотложенные, а сохранившие свое первичное залегание породы, а значит весьма вероятно, что в них могут остаться нетронутыми макро- и микробиосигнатуры (следы жизни).

Рис. 4. В окрестностях западной дельты полоса карбонатных пород вдоль внутреннего края кратера (красный контур) ограничена узким диапазоном высот — от −2420 до −2260 м (по отношению к эквипотенциальной поверхности гравитационного поля Марса). Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Icarus

Авторы считают, что карбонаты откладывались в мелких и теплых водах дельты из речной воды, поступающей с расположенного западнее водосборного бассейна. Если бы карбонатные минералы осаждались из озерной воды, то они присутствовали бы и в других частях озера, а не только в западной дельте. Дно кратера в целом сложено мафическими (с высокими содержаниями Mg и Fe) вулканическими породами — потоками лав, которые лишь по краям перекрытыми карбонатами и глинистыми отложениями.

В земных условиях карбонатные породы из речных потоков откладываются в краевых частях щелочных (содовых) озер, имеющих pH воды более 9. Воды должны содержать бикарбонат HCO₃⁻ и при этом быть перенасыщенными катионами Ca⁺ и Mg²⁺. Наиболее близким аналогом, по мнению авторов, является озерно-речная система озера Салда (см. lake Salda) в Турции. Оно тоже расположено в кратере, а впадающие в него водные потоки, так же, как и в случае с кратером Езеро, размывают окружающие озеро мафические породы. В прибрежных водах озера Салда отлагается гидромагнезит (hydromagnesite) — гидратированный карбонат магния, и это одно из немногих мест на Земле, где синезеленые водоросли создают современные строматолитовые постройки (M. J. Russell et al., 1999. Search for signs of ancient life on Mars: expectations from hydromagnesite microbialites, Salda Lake, Turkey).

Однако, абсолютно не очевидно, что карбонаты западной окраины кратера Езеро образовались при участии бактерий. На Земле есть многочисленные примеры, когда карбонатные отложения в прибрежной зоне озер образуются абиогенным путем. Один из самых распространенных таких примеров — карбонатные туфы или травертины, осаждающиеся из родниковых или термальных вод при их поступлении в озерные щелочные воды, богатые HCO₃⁻ (см.: Травертиновые террасы Памуккале). Достаточно мощные отложения карбонатных туфов встречаются в прибрежных частях соленых озер запада США (например, озеро Моно) и Восточно-Африканской рифтовой долины.

Авторы считают, что даже в этом случае изучение карбонатных пород западной части кратера Езеро будет весьма продуктивным, потому что и абиогенные туфы, и карбонатные осадки могут сохранять в себе следы жизнедеятельности организмов, а также — дать богатый материал для палеоклиматических реконструкций.

При спектрометрической съемке в кратере Езеро были идентифицированы минералы гидратированного кремнезема типа опала (аморфный гидрокремнезем SiO₂·nH₂O). Изучению этих минералов посвящено исследование, проведенное группой ученых из США и Китая под руководством Джона Мустарда (John F. Mustard) из Брауновского университета. Результаты опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.

Гидратированный кремнезем в кратере Езеро мог появиться как минимум тремя путями: 1) он был принесен речными потоками; 2) путем прямого осаждения из термальных растворов (если это был район вулканической активности, на Земле такие примеры есть); 3) в результате взаимодействия с водой пород базальтового основания кратера.

Рис. 5. Красными точками показаны места, где был идентифицирован гидратированный кремнезем. Зеленый цвет — отложения западной дельты; желтый — отложения северной дельты; коричневый — выходы базальтового основания; фиолетовый — речное русло. Изображение из обсуждаемой статьи в Geophysical Research Letters

Ранее все факты идентификации на поверхности Марса гидратированного кремнезема связывали исключительно с процессами изменения пород основания. Весьма вероятно, что и в данном случае мы имеем дело с тем же процессом, тем более что минерал обнаружен непосредственно над базальтами (рис. 5).

Тем не менее, и два первых варианта в озерно-речной обстановке вполне реальны. В первом случае кремнистые осадки после литификации (затвердевания) преобразуются в кремнистые сланцы. Во втором случае вокруг горячих источников, несущих растворенный кремнезем формируются отложения кремнистого туфа — гейзерита.

Из земной геологии известно, что и в тех, и в других породах хорошо сохраняются биосигнатуры. Это связано с тем, что при выпадении кремния из растворов, кремнезем способен замещать органические клетки. При этом полностью сохраняется морфология организмов вплоть до клеточной структуры, а за счет консервации клеток в кремнистой оболочке — органический углерод, а иногда даже липиды.

Авторы считают, что идентифицированный ими гидрокремнезем, скорее всего, образовался на месте, в нижних слоях комплекса дельтовых отложений. Как правило, такие места на теплом мелководье, куда рекой сносится питательный материал, собранный с большой территории, наиболее благоприятны для развития жизни. А слои кремнистых осадков могут способствовать максимальной сохранности биоматериала.

Ученые рассчитывают, что с помощью оборудования, размещенного на планетоходе «Марс-2020», они, как минимум, получат ответы на вопросы, касающиеся генезиса карбонатных и кремнистых отложений кратера Езеро, а как максимум — обнаружат следы древней марсианской жизни.

В заключении хотелось бы отметить, что до 2012 года НАСА и ЕКА разрабатывали марсоход в рамках совместной программы освоения Марса. В 2012 году НАСА вышло из проекта, начав планировать собственную миссию «Марс-2020». ЕКА продолжило разработку своего марсохода в сотрудничестве с Роскосмосом. Сейчас этот аппарат имеет рабочее название марсоход «Розалинд Франклин» в честь английского химика и пионера исследований структуры ДНК.

Его запуск запланирован на 25 июля 2020 года. По плану в марте 2021 года он должен достичь поверхности Марса и приземлиться в районе плато Оксия (Oxia Planum). Задача миссии та же, что и у «Марса-2020» — поиск следов существования прошлой или настоящей жизни на Красной планете. Несмотря на то, что марсоход «Розалинд Франклин» по своим габаритам значительно меньше своего американского собрата, он оснащен всеми необходимыми аналитическим приборами, а также буровой установкой с максимальной рабочей глубиной 2 метра. Программой предусмотрен отбор 17 образцов керна. Кроме того, бур оборудован ИК-спектрометром для минералогического изучения горных пород на глубине.

Источники:
1) Briony H. N. Horgan, Ryan B. Anderson, Gilles Dromart, Elena S. Amador, Melissa S. Rice. The mineral diversity of Jezero crater: Evidence for possible lacustrine carbonates on Mars // Icarus. 11 November 2019. DOI: 10.1016/j.icarus.2019.113526.
2) J. D. Tarnas, J. F. Mustard, Honglei Lin, T. A. Goudge, E. S. Amador, M. S. Bramble, C. H. Kremer, X. Zhang, Y. Itoh, M. Parente. Orbital identification of hydrated silica in Jezero crater, Mars // Geophysical Research Letters. 2019. 06 November 2019. DOI: 10.1029/2019GL085584.

Владислав Стрекопытов