Записки дилетанта: Наукові результати Curiosity 2013 (додаток до огляду 3)

суботу, 21 червня 2014 р.

Наукові результати Curiosity 2013 (додаток до огляду 3)

Під кінець минулого, 2013, року вийшло ряд публікацій з науковими результатами роботи Curiosity. Спробую в двох словах розповісти про них. Строго не судіть -- я далееееко не спеціаліст. Навіть любитель так собі...

Спочатку --- загальна картина, безвідносно до Curiosity.

Почну із оглядової статті Емілі: "Mars' chemical history: Phyllosian, Theiikian, Siderikian, oh my",

яка продовжує серію розповідей про сучасне бачення історії Марсу. (Див. також попередні статті серії: "Relative and absolute ages in the histories of Earth and the Moon: The Geologic Time Scale" і, особливо "Noachian, Hesperian, and Amazonian, oh my! --Mars' Geologic Time Scale" --- про те, як геологічну шкалу часу будують на Марсі. Для порівняння, як це роблять на Землі: "Геохронологічна шкала", "Geologic time scale" -- англійська якісно детальніша.).

Якщо коротко, більшість твердих тіл Сонячної системи містять багато олівіну, піроксену та фельдшпату. Однак, на Землі їх відносно мало, так як в присутності води вони розкладаються, даючи різноманітні глини (Phyllosilicates) та солі --- хлориди, сульфати, карбонати. Якщо на Марсі колись була вода, враховуючи вуглецеву атмосферу, на місці океанів, чи ішних великих водойм, мали б залишитися відклади карбонатів. Вони навіть були виявлені в марсіанських метеоритах. Але TES, на борут MGS, їх не побачив.

Прорив наступрив із прибуттям до Марсу потужних спектрометрів ближньої інфрачервоної ділянки спектру, OMEGA (Mars Express) та CRISM (Mars Reconnaissance Orbiter).

TES (як і THEMIS на Mars Odyssey) чутливі в тепловому діапазоні інфрачервоного випроміннювання --- із довжиною хвилі 5-50мкм. В цій ділянці знаходяться лінії поглинання різних варіантів зв'язку Si-O (довжина хвилі ~10мкм) та звязків у сульфатів, карбонатів, алюмосилікатів. Ближній інфрачервоний (ближній до видимого світла, звичайно, 0.4-5 мкм) поглинається іншими мінералами. Наприклад електрони перехідних металів, таких як залізо, даючи характерне послаблення відбитого сонячного світла в діапазоні 0.4-2 мкм. Аналізуючи це поглинання, можна досліджувати вміст олівінів, піроксенів, гематитів, гетитів та інших залізовмісних мінералів. В діапазоні 1-5мкм "видно" мінерали, що містять групи OH, \(CO_3\) та гідратовану воду, \(H_2 O\).

Дані європейців, згідно статті "Global Mineralogical and Aqueous Mars History Derived from OMEGA/Mars Express Data." (2006) показують, що:

Олівіну і піроксену на Марсі багато, особливо на ділянках із древньою поверхнею. Тобто там, в основному, завжди було сухо.
На північних низинах їх майже немає -- щось їх перетворило чи розклало.
Однак, глини (phyllosilicates) та сульфати -- продукти їх гідратації, виявлено лише в двох місцях.
Всі ці глини відносяться до дуже давньої, Нойської епохи, які оголилися внаслідок ерозії.
При тому, глин немає в місцях, які, геоморфологічно, мали б сформуватися за участю води.
Карбонатів не виявлено.
Сульфати, які утворюються в дуже кислій воді, помічені на поверхні марсоходами Spirit і Opportunity, місцями видно і з орбіти.
Червона пилюка, що забарвлює Марс, не містить гідратованої води.

Тобто, вода на Марсі могла бувати, але лише місцями і дуже давно. При чому, утворення глин вимагає нейтрального pH води, але може відбуватися в товщі поверхні, під час перколяції води, а сульфатів -- кислої, але щоб багато і щоб вона випаровувалася --- вони випадають з осаду.

Карбонатів немає. Проблема. Детальніше, які існують гіпотези -- див. вихідну статтю цього переказу. Автори статті по результатах роботи (2006 року), стверджують, що на підставі їх результатів можна реконструювати послідовність подій: спочатку, в Нойській епосі, умови сприяли утворенню глин (на поверхні чи в глибині), потім масований вулканізм, своїми викидами, різко підвищив кислотність води, почалася "епоха" сульфатів, після чого наступила "сучасна" ера, під час якої вода не відіграє суттєвої ролі в геологічному розвитку Марсу. Ці епохи, названі авторами як phyllosian, theiikian, siderikian (не беруся перекладати), за їх думкою, на хронологію Марсу лягають так:

Нова парадигма геології Марсу, від Bibring та інших. (с) Jean-Pierre Bibring et al., 2006

Американська автоматична орбітальна станція, згідно "A synthesis of Martian aqueous mineralogy after 1 Mars year of observations from the Mars Reconnaissance Orbiter.", (2009), дозволила зробити наступні висновки.

Їхня камера має вищу роздільну здатність, ніж європейська, тому може акуратніше придивлятися, краще вписувати дані в геологічний (видимий оком) контекст. Згідно авторів, до них відомо було наступні види змінених під дією води мінералів:

Гематити, виявлені Opportunity.
Гематити в області Valles Marineris (обов'язково гляньте фото за посиланням!).
Гіпс в піщаних дюнах поруч із Північним полюсом.
Шаруваті філосилікати (глини), виявлені в Mawrth Vallis, Nili Fossae, та все тій же гігантській алеї Маринера.
Філосилікати, які оголилися в кратерах на височинах.

Топографія Valles Marineris згідно даних Mars Orbiter Laser Altimeter (на MGS) (c) PD-NASA

CRISM доповнило цю колекцію:

Філосилікати (глини) в конусах виносу (alluvial fan) та дельтах між високогірними кратерами, в основному в їх нижніх частинах. В Південній півкулі вони також корелюють із хлоридами.
Вони ж, в "fan-ах" та дельтах всередині високогірних кратерів, таких як Holden, Eberswalde, Jezero, Terby.
"Перемежовані" (?, interbedded) філосилікати та хлориди в декількох кратерах Terra Sirenum.
І, нарешті, карбонати, на древній поверхні (Нойської епохи), в області Isidis Planitia.

При чому, з поправкою на більшу деталізацію, результати підтверджують запропоновані в попередній розглянутій роботі.

Карта кратеру Гейла, де зараз працює Curiosity, зроблена CRISM. Зелений -- глини (філосилікати), блакитний -- сульфати, червоний -- олівін, оранжевий -- суміш глин та сульфатів. Місце посадки відмічено жовтим хрестиком.
(с) NASA / JPL / JHUAPL / Ralph Milliken

Закінчивши із тим, перейдемо безпосередньо до результатів Curiosity, які доповідалися на конференції American Geophysical Union (AGU), в кінці 2013 року.

"Curiosity results at AGU: Gale crater rocks are old, but have been exposed recently"

від все тієї ж неперевершеної Emily Lakdawalla. Стаття стосується досліджень, проведених з матеріалом із місцевості, названої "Yellowknife Bay". Там марсохід просверлив своїх перших два отвори, названі John Klein і Cumberland:

Cumberland, сол 279, 18 травня 2013. Зауважте, що на отримання та поверхневий аналіз результатів пішло півроку.
(с) NASA / JPL / MSSS / Emily Lakdawalla

Про технічну сторону забору зразків я вже писав, див. "Curiosity, свердлимо Марс". Зразок із John Klein вони, в забірному "ковшику" CHIMRA понесли із собою -- досипаючи в міру необхідності зразки в прилад, під час вимушених зупинок. (Нагадую, основна поточна ціль -- добратися до гори Шарпа, центрального піка кратера).

Розташування місця забору зразків. Зауважте послідовно оголену "стратиграфію": найстаріша ділянка, Sheepbed, потім Gillespie Lake, і Point Lake. 50-сантиметрова шкала стосується, природно, лише тієї ділянки (перспектива...). Сол 137, 24 грудня 2012. Гора Шарпа --- головна наукова ціль, ліворуч, зверху.
(c) NASA / JPL / MSSS

Так ось, вперше на іншій планеті вдалося провести абсолютне датування каменя! Відносне, геологічне (на Землі також -- "палеонтологічне") датування дозволяє визначити, що було раніше, що пізніше. Наприклад, як описано в попередньому "рефераті" (спочатку-потім-і в кінці). (Детальніше див. посилання внизу.) Однак, співставити із абсолютним віком такі дані завжди складно, навіть на Землі.

Більше того, авторам вдалося визначити, як давно даний камінь оголився! Деталі викладено в їх роботі: "In Situ Radiometric and Exposure Age Dating of the Martian Surface".

Досліджені зразки являють собою аргіліт --- mudstone. Одна тільки перша частина англійського слова говорить за себе: mud -- мул, твань. :-) Грубо кажучи, це камінь, утворений з відкладів намулу, глини і т.д., принесених водою. Звідки приносило подрібнену породу, видно тут:

Вік "оточення" кратера, відмітки джерел осадів. Детальніше про підписи -- в тексті.
(c) NASA / JPL

Саме по собі це вже важливе відкриття --- що глина утворилася на місці. Її могло принести здалеку.

Спочатку камінь дослідили за допомогою APXS, який дав елементний склад майбутніх зразків. (Детальніше про його можливості див. нотатку "Марс - MSL Curiosity" та посилання там. Зразу і нагадайте собі, що таке SAM --- цей пристрій "відповідальний" за виміри, про які розповідається нижче.) Дослідження показало, що в ньому багато калію-40, який (з періодом \(1.251\cdot 10^9\) ) розпадається на аргон-40. Аргон -- газ леткий, але в мікропорожнинах породи затримується доволі ефективно. Будь-яка порода давним-давно була розплавленою, а значить газоподібного аргону не містила. Тому, замірявши його кількість (та кількість калію-40), можна визначити, скільки часу минуло з утворення породи. Похибку, крім точності вимірювань, вносить також втрати аргону через його просочування, які призводять до заниження віку. Однак, особливою проблемою це не стало -- див. далі.

Можна вважати, що удар, який створив кратер Гейла, був достатньо енергійним, щоб розплавити породу і обнулити аргоновий вік, тому виміри дадуть датування самого кратера.

Так ось, аргону в зразках виявилося багато, дуже багато. Тобто, камінь дуууже давній. Оцінка віку -- 4.2 мільярди, плюс-мінус 350 мільйонів років, або 4560-3860 мільйонів років. Враховуючи, що нижня оцінка близька до віку існування Марсу, можна вважати, що майже весь аргон так і залишився в породі. Оцінка віку території кратера Гейла з підрахунку кратерів --- 4100-3600 мільйонів років. Тобто, результати вимірювання "in sity" a) узгоджуються з опосередкованими, b) не підвищують їх точності. Однак, їх величезна цінність в першому прямому та безпосередньому вимірі віку. На жаль, точність все ще занизька для вибору між різними моделями періодизації історії червоної планети, і навряд чи Curiosity зможе суттєво краще --- його прилади заточені під інше. (Зокрема, неможливо точно визначити вагу зразку, який потрапив у комірку SAM --- 135+-16 міліграм.) Але, показано, що є сенс посилати більше потужний "датувальник" за методом калій-аргон.

Однак, це --- вік не озера, де формувався даний "mudstone", лише вік часточок породи, принесеної туди.

Згідно слів Емілі, науковці стверджують, що хімічний склад вказує --- вихідний матеріал не дуже довго перебував під дією води, перш ніж осів на дні давнього озера. (Це можна побачити, оцінивши вимивання деяких елементів, таких як калій та натрій.)

Інший важливий результат --- встановлено, скільки часу досліджувана каменюка перебуває на поверхні. Зроблено це завдяки космічним променям. Високоенергійна космічна радіація створює в породах ізотопи інертних газів, які самі по собі в породах не трапляються: аргон-36 (внаслідок ловлення хлором теплових нейтронів), неон-21 (руйнування Mg, Si, Al), гелій-3 (руйнування O, Si, Mg). Знаючи швидкість їх утворення на Марсі (достатньо велику -- магнітосфери немає, атмосфера тендітна, ніякого захисту), можна взнати, скільки часу зразок піддавався бомбардуванню. Так ось, відкриті ці камені всім космічним вітрам вони 80+-20 мільйонів років, або десь між 60 і 80 мільйонів років --- лише 2% часу існування вихідної породи.

Про швидкість утворення згаданих ізотопів, відомо, що найбільш ефективно утворення гелію-3 і неону-21 йде на глибині 15 см, а далі експоненційно спадає, аргон-36 формується глибше, максимум на 60 см. Тому, вимірюючи їх відношення, можна відновити історію опромінення. (Деталі див. у "MSL determines Age of Martian Rocks, reveals Surface Exposure Mechanism")

Що ж їх оголило? Виявляється, вітрова ерозія! (Англійською --- Scarp retreat, перекладу знайти не вдалося -- підказуйте.) Безліч частинок, які ганяє розріджена марсіанська атмосфера, таки точать камінь. Оцінка ефективності знищення породи -- метр за мільйон років. Тобто, доволі швидко. Чому цей процес так активно йде зараз, але не попередні мільярди років -- поки незрозуміло.

Інша проблема --- марсохід не виявив органіки. Взагалі. В чому проблема, яка органіка на мертвому Марсі? В тому, що органіка мала бути у вихідному озері. Хоча б --- занесена метеоритами та кометами. В сонячній системі "нижчої" органіки багато. Ймовірно --- вона знищена тим самим високоенергійним випромінюванням. Але та сама швидка вітрова ерозія дає цікаві перспективи -- оголює свіжі каменюки, які ще не встигла просмажити радіація! Так що, можливо, цікаві відкриття ще попереду.

Третя на сьогодні реферована публікація:

"Habitability, Taphonomy, and Curiosity's Hunt for Organic Carbon", John Grotzinger.

Вона присвячена пошуку потенційної теперішньої чи минулої придатності Марсу для життя. Основна складність --- навіть на Землі аналізувати перші сліди життя дуже складно. А які форми воно приймало на інших планетах, сказати важко.

Найпростіше відштовхнутися від єдиного відомого нам зразка --- земного життя.

1. Йому потрібна вода. При чому, не просто вода, а відносно доступна вода. Густий "суп" із солей чи концентровані кислоти підходять не дуже. В меді води багато, але бактерії скористатися таким шикарним джерелом енергії не можуть. Воду на Марсі досліджують давно, а кратер Гейла явно містить натяки на тривале (мільйони років хоча б, може й більше --- десятки мільйонів) існування поверхневих, відносно м'яких, озер (на противагу виявлених Spirit та Opportunity відкладах кислих сульфатів). І хоча вода навряд чи була на поверхні неперервно, є натяки, (прожилки із відкладами мінералів), що під землею ґрунт все рівно залишався вологим.

2. Йому, життю, потрібне джерело енергії. Для конкретності зараз дослідники орієнтуються на найбільш перспективний для пошуку тип живих істот --- хемоавтотрофних бактерій. Тому сильно відновлені мінерали, такі як пірити, магнетити і т.д. значно більше радують, ніж виявлені попередніми марсоходами (окиснені) сульфати та гематити --- бактерії, якби вони там були, мали б звідки брати енергію.

3. Нарешті, життю потрібні біогенні елементи --- вуглець, водень, азот, кисень, фосфор, сірка. Всі вони ніби присутні. Однак, слід щоб вони ще й були в доступній живому формі, особливо це стосується азоту, вуглецю та фосфору. (Той же \(C O_2\) життя непогано вміє добувати з повітря --- в сенсі, ми знаємо, що принципових проблем із тим у живого немає.)

Життя породжує органіку. Здавалося б -- бери і виявляй. Однак, не все так просто. Органіка, навіть якщо її зібралося достатньо багато, схильна розкладатися. Осад перетворюється на камінь, коли через нього просочується дуже багато води. При тому, органіка, будучи в своїй масі відновленими сполуками, отримує шанс окислитися. Космічна радіація продовжує руйнівний процес. За вимірами Curiosity, поточний рівень радіації здатен знизити кількість органіки в 1000 раз за 650 мільйонів років. Спробуй потім знайди те, що залишилося, особливо враховуючи вік потенційних озер (див. попередній розділ)... Нарешті, навіть якщо органіку вдалося знайти, проблеми тільки почалися. Слід ще довести, що її походження --- біологічне. Як вже казалося, органіки в сонячній системі достатньо.

Науковці з групи марсохода опублікували серію статей про те, як вони вирішують всі ці проблеми. Почитати їх можна тут: "MSL publications".

Інші джерела

Щодо дози радіації, відповідний прес-реліз, "NASA Curiosity: First Mars Age Measurement and Human Exploration Help", повідомляє: з серпня 2012 по червень 2013, середня добова доза радіації складала 0.67 мілізівертів. Для порівняння --- одна флюорографія це 0.02 мілізівертів. При чому, за той час не було жодного сонячного спалаху, 95% радіації -- космічне випромінювання. За оцінками марсоходу під час перельоту, типова доза для космонавтів під час експедиції до Марсу складатиме 1000 мілізівертів. Така доза, наприклад, на 5% збільшує ймовірність розвитку раку. Це майже вдвічі більша за прийнятну величину (згідно стандартів НАСА, допускається 3%). Детальніше див. "Assessing the Radiation Environment on the Martian Surface" та інші за цим же посиланням.

Важливий результат викладено в згадуваній вище "MSL determines Age of Martian Rocks, reveals Surface Exposure Mechanism", у розділі "MSL APXS puts recent Rocknest Soil Samples into Global Context". Дослідження "пилюки" -- ґрунту, набраного в дюнах, показало, що це зовсім типова для Марсу пилюка --- така ж, як в інших місцях:

Марсіанський "ґрунт" за даними різних апаратів.
(c) NASA/JPL-Caltech/University of Guelph

Один із гостей конференції AGU, Mark Hilverda, в статті "A Tale of Two Posters: Sediment on Mars and Searching Jupiter's Rings", описує цікавий результат. Оцінка швидкості випадання осадів на Марсі робиться виходячи із земних даних. Однак сила тяжіння суттєво різна там і тут. Попередні результати дослідження Nikolaus J. Kuhn, виконані хитро сконструйованим приладом, під час польотів із зниженою вагою (період марсіанської за величиною сили тяжіння триває 25 секунд), показують, що швидкість осідання, перенесена із Землі, недооцінена мінімум на 20%.