Анализ образцов астероида Бенну показал, что его минералы образовались из водных растворов

Рис. 1. Капсула с образцами миссии OSIRIS-REx после приземления в пустыне в штате Юта (США) 24 сентября 2023 года. Фото с сайта science.nasa.gov

Авторы исследования, результаты которого опубликованы в журнале Nature, проанализировали минеральный состав образцов, доставленных на Землю с астероида Бенну миссией OSIRIS-REx. Ученые обнаружили в образцах множество солевых минералов, включая фосфаты, карбонаты, сульфаты, хлориды и фториды. Эти соли могли образоваться во время испарения рассола, существовавшего на родительском теле, из обломков которого «собрался» Бенну, что указывает на то, что там присутствовала вода.

Космический аппарат НАСА OSIRIS-REx (полное название — Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, and Security-Regolith Explorer, что можно перевести как «аппарат-исследователь для безопасного нахождения, спектрального анализа реголита как исходного вещества и интерпретации результатов»), предназначенный для доставки образцов грунта с астероида Бенну, был запущен 8 сентября 2016 года. Он достиг астероида 31 декабря 2018 года, 20 октября 2020 года состоялся забор грунта, а 24 сентября 2023 года капсула с образцами вернулась на Землю (рис. 1), после чего пробы вещества астероида были отправлены в исследовательские лаборатории по всему миру.

Выбор астероида Бенну в качестве объекта исследования был обусловлен, с одной стороны, тем, что он достаточно близок к Земле, так как принадлежит к аполлонам — группе околоземных астероидов, чьи орбиты пересекают земную орбиту с внешней стороны, а с другой — относится к углистым астероидам класса В, содержащим, по мнению ученых, первичное углеродистое вещество, сохранившееся еще со времен образования Солнечной системы.

Достигнув Бенну, OSIRIS-REx некоторое время проводил наблюдения, которые позволили составить подробную карту астероида (рис. 2) и выбрать место для взятия образцов.

Рис. 2. Астероид Бенну в четырех ракурсах (вверху) и изображение почти всей его поверхности (внизу), составленное из отдельных кадров, сделанных камерой PolyCam корабля OSIRIS-REx 2 декабря 2018 года. Если присмотреться, то можно заметить, что фото сверху соответствуют тем местам повехности, над которыми они расположены. Фото с сайта science.nasa.gov

Одной из самых больших проблем стало то, что поверхность Бенну оказалась чрезвычайно каменистая. После года изучения усеянной валунами поверхности команда миссии выбрала место сбора образцов. Им стал кратер диаметром около 140 м, получивший название Найтингейл («Соловей»). Кратер выглядел относительно молодым. По мнению ученых, реголит в нем обнажился совсем недавно (рис. 3), а значит была высокая вероятность получить нетронутый образец астероида, по которому можно будет получить больше информации о том, из какого материала формировались планеты Солнечной системы и могло ли протопланетное вещество содержать соединения, необходимые для зарождения жизни.

Рис. 3. Участок сбора образцов в кратере Найтингейл. Условное изображение космического корабля OSIRIS-REx дано для масштаба. Фото с сайта nasa.gov

Отбор образцов происходил без непосредственной посадки, в ходе маневра, известного как «Touch-And-Go». При приближении аппарата к астероиду выдвинулся раскладной манипулятор длиной 3,5 м, который установил на поверхности Бенну пробоотборник. Перенос реголита в ловушку осуществлялся при помощи сжатого азота. Вскрытие герметичного контейнера с пробами, после его доставки на Землю, и все работы по хранению и изучению образцов выполнялись в специализированном перчаточном боксе под потоком азота, чтобы сохранить первозданное состояние астероидного материала и защитить его от воздействия атмосферы Земли (рис. 4).

Рис. 4. Вскрытие контейнера с образцами астероида Бенну. Фото с сайта flickr.com

Вес частиц материала, извлеченных из контейнера составил 70,3 грамма, что превзошло целевой показатель в 60 граммов. Еще 51,3 грамма собрали с внутренней поверхности головки пробоотборника. Всего извлекли 121,6 грамма — это самая большая проба астероидного вещества, когда-либо собранная в космосе. Весь материал распределили в боксе, состоящем из восьми лотков, для последующего изучения (рис. 5).

Рис. 5. Материал астероидного вещества, распределенный по лоткам в соответствии с тем, из какой части пробоотборника он был извлечен. Фото с сайта blogs.nasa.gov

Первые результаты анализа образцов Бенну были опубликованы в июне 2024 года (D. S. Lauretta et al., 2024. Asteroid (101955) Bennu in the laboratory: Properties of the sample collected by OSIRIS-Rex). Исследователи отмечают, что пыль богата углеродом и азотом, а также органическими соединениями. Главным сюрпризом стало открытие в грунте астероида относительно крупных, хорошо образованных кристаллов водорастворимых фосфатов магния и натрия, отложение которых обычно происходит из жидких растворов (рис. 6). Интересно, что аналогичные минералы были найдены и в образцах астероида Рюгу, доставленных на Землю японской миссией «Хаябуса-2» в 2020 году (Т. Hiroi et al., 2023. Evidence of Global Space Weathering by Solar Wind on Asteroid 162173 Ryugu).

Рис. 6. Частицы грунта астероида Бенну, содержащие фосфаты Mg и Na (на фото — светлый). Размер более крупной частицы — около 1 мм. Размер кристаллов фосфатов — беспрецедентный для образцов из метеоритов или астероидов. Фото из статьи D. S. Lauretta et al., 2024. Asteroid (101955) Bennu in the laboratory: Properties of the sample collected by OSIRIS-Rex

Помимо фосфатов ученые обнаружили и другие минералы, которые в земных условиях образуются в водной среде: глинистые минералы (листовые силикаты), серпентин, оксиды и сульфиды железа, карбонаты.

Результаты нового этапа исследований минерального состава грунта астероида Бенну отражены в статье, вышедшей в журнале Nature.

В образцах ученые обнаружили целую линейку солевых минералов — фосфатов, карбонатов, сульфатов, хлоридов и фторидов. Изучение взаимоотношений между ними позволило авторам определить последовательность отложения минералов, а также установить, что они имеют эвапоритовую природу, то есть откладывались из древних рассолов (концентрированных растворов).

Выпадение карбонатов, сульфатов, галогенидов и других групп минералов как правило происходит при испарении или замерзании рассолов. На самом Бенну, представляющем собой слабосцементированный конгломерат крупных и мелких валунов, которые, по оценкам ученых, собрались вместе в течение последних 65 миллионов лет, конечно, никакой жидкой фазы, не было. Осаждение минералов происходило на родительском теле, из обломков которого сформировался астероид. Вполне возможно, это было ледяное тело с подповерхностным океаном типа карликовой планеты Цереры или спутника Сатурна Энцелада. На поверхности или в шлейфах выбросов этих тел, как и на Бенну, зафиксированы карбонаты натрия.

Дистанционное зондирование Бенну приборами миссии OSIRIS-REx выявило несколько популяций валунов, которые, вероятно, сформировались на разных глубинах внутри родительского тела. Многие из них сложены породами, несущими следы объемного водного изменения, прежде всего гидратированными листовыми силикатами, а также сульфидами (~10 об. %), магнетитом (~5 об. %) и карбонатами (~3 об. %), которые часто встречаются вместе. По составу эта ассоциация похожа на наиболее сильно гидратированные углистые хондриты типа CIs.

Для исследования минерального состава образцов ученые использовали целый комплекс методов, включающий рентгеноструктурный анализ, различные варианты сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, электронный микрозондовый анализ и другие.

Авторы установили, что сульфиды, в первую очередь пирротин, встречаются в виде псевдогексагональных минеральных зерен размером от десятков до сотен микрометров, ксеноморфных зерен размером в первые микрометры и мелких агрегатов, заполняющих пустоты в магнезиальных листовых силикатах. Карбонаты представлены кальцитом (CaCO₃), доломитом ((Mg,Ca)CO₃) и магнезитом (MgCO₃), содержащим Fe и Mn. Фосфаты Mg и Na образуют аморфные зональные агрегаты со следами усыхания, указывающие на то, что они образовались в результате испарения насыщенных растворов (рис. 7).

Рис. 7. Многоэлементный рентгеноструктурный снимок агрегата кальцита (с), магнетита (mt) и зонального фосфата Mg и Na в матрице листовых силикатов (глинистых минералов). Длина масштабного отрезка — 20 мкм. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Нередко фосфаты развиваются по краям скоплений доломита, кальцита и магнетита, откуда следует, что фосфаты отлагались после этих минералов (рис. 8).

Рис. 8. Прожилки Mg,Na-фосфатов (Mg,Na ph) окаймляют крупные зерна доломита (Dol) с включениями магнетита (Mt). Длина масштабного отрезка — 200 мкм. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Еще более поздними были карбонаты Na типа троны (Na₃Н(СО₃)2·2H₂O), вегшайдерита (wegscheiderite, Na₅H₃(CO₃)₄) или нахколита (NaHCO₃) — типичных минералов содовых озер. Они образуют самостоятельные игольчатые агрегаты в гидратированных листовых силикатах (рис. 9).

Рис. 9. а — многоэлементный рентгеноструктурный снимок игольчатых образований карбоната натрия (Na carb) в матрице листовых силикатов (фиолетовый) с вкраплениями доломита (Dol) и магнетита (красный); b — изображение в обратно рассеянных электронах (сканирующая электронная микроскопия) игольчатого агрегата карбоната натрия (Na carb). Длина масштабных отрезков: a — 500 мкм, b — 20 мкм. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Также авторы обнаружили в образцах: сульфат натрия, хлориды натрия и калия галит (NaCl) и сильвин (KCl), фторид натрия (предположительно, виллиомит NaF). На Земле все это — типичные эвапоритовые минералы усыхающих соляных озер.

Галит, сильвин и сульфат натрия ранее находили и в обычных хондритах, однако их образование связывали с окислением или гидратацией метеоритного вещества в атмосфере Земли. Так как в данном случае контакта образцов с земной атмосферой не было, можно говорить о первом подтвержденном обнаружении классической эвапоритовой минерализации на внеземном теле. Более того, образцы Бенну, помещенные в контейнер, заполненный воздухом, через 5–8 месяцев полностью потеряли NaCl и KCl по сравнению с контрольными образцами, хранившимися в той же атмосфере азота, что и в момент взятия проб.

Набор минералов и характер их взаимоотношений свидетельствуют о том, что на родительском теле имела место длительная эволюция состава жидкой фазы. После кристаллизации ранних пород трещины в них заполняли более поздние растворы, минерализация которых образует секущие жилы и прожилки. По мнению авторов, самым близким земным аналогом резервуаров с подобными условиями служат закрытые озера (closed lakes), в которых отсутствуют приток, отток или перемешивание жидкости, в результате чего происходит концентрирование растворов с последующим их расслоением по химическому составу.

Наиболее известное из них — озеро Серлс в Калифорнии. В его отложениях ранние карбонаты Ca и Mg (кальцит и доломит) осаждались в результате насыщения раствора, а не испарения, а более поздние карбонаты Na и Ca (гейлюссит и пирссонит, см. pirssonite) — при реакции между ранее образованным карбонатом и остаточным рассолом, богатым натрием. После этого система озера Серлс перешла на эвапоритовую стадию — началось испарение и последовательное осаждение сульфата Na, карбоната Na и хлорида Na. Авторы считают, что последовательность минералообразования из рассолов на родительском теле Бенну была аналогичной. Среда при этом менялась от нейтральной до щелочной (рис. 10).

Рис. 10. Последовательность минералообразования из рассолов на родительском теле Бенну. Первыми из нейтральных растворов образовался кальцит (Ca carb), затем, по мере повышения щелочности — магнетит (Fe oxide), магнезит (Mg carb) и доломит (Ca, Mg carb). Последними из пересыщенных щелочных растворов, но еще до начала эвапоритовой (испарительной) стадии, отложились карбонаты Ca и Na (Ca,Na carb). На эвапоритовой стадии последовательно осаждались: фосфаты Mg и Na (Mg,Na phos), сульфаты Na (Na sulf), поздние карбонаты Na (Na carb), галит и сильвин (Na chlor, K chlor), а также фториды Na (Na fluor). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

То, что установленная последовательность связана именно с испарением, а не с замерзанием родительского водоема, подтверждается граничными температурами образования карбонатов Na и Ca (20–55°C). Карбонат Na вообще не может образоваться при замерзании рассола, а только при его испарении.

Следует отметить, что обсуждаемая статья — одна из двух статей, подводящих итоги текущего этапа исследований. Вторая, опубликованная в журнале Nature Astronomy, посвящена анализу органической составляющей образцов Бенну (D. P. Glavin et al., 2025. Abundant ammonia and nitrogen-rich soluble organic matter in samples from asteroid (101955) Bennu). В них ученые обнаружили 14 из 20 белковых аминокислот, присутствующих в формах земной жизни, еще 19 небелковых аминокислот, редких или неизвестных в земной биологии, и все пять биологических нуклеиновых оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин и урацил). Было также обнаружено, что Бенну богат азотистыми и аммиачными соединениями.

Учитывая обогащенность минеральной составляющей всеми необходимыми для организмов элементами, включая углерод и фосфор, а также наличие водной среды и умеренных температур, можно сказать, что 4,5 млрд лет назад, на самых ранних стадиях развития Солнечной системы, на одной из ее протопланет, возможно, были все условия для зарождения жизни.

Источник: T. J. McCoy et al. An evaporite sequence from ancient brine recorded in Bennu samples // Nature. 2025. DOI: 10.1038/s41586-024-08495-6.

Владислав Стрекопытов