Более двадцати лет спустя после начала работы на Марсе марсоход Spirit продолжает приносить научные результаты. Исследователь повторно проанализировал данные, собранные аппаратом в кратере Гусева в период с 2004 по 2010 год, и обнаружил в обычном марсианском грунте признаки минералов, которые ранее не удавалось надёжно выделить.
Особое значение имеют кристаллический гематит и изменённый магнетит. Оба минерала относятся к железосодержащим соединениям, а их присутствие помогает восстановить химическую историю марсианской поверхности. Новая работа показывает, что часть информации, полученной Spirit много лет назад, оказалась недостаточно заметной при первоначальном анализе. Только объединение большого количества отдельных измерений позволило выделить слабые сигналы.
Результат важен не только для изучения кратера Гусева. Он может указывать на то, что химическое воздействие воды в далёком прошлом распространялось на значительно большую часть Марса, чем предполагалось по отдельным хорошо сохранившимся геологическим объектам.
Почему старые данные Spirit пришлось анализировать заново
Spirit прибыл на Марс в январе 2004 года. Его главной задачей было исследование поверхности и поиск свидетельств того, что в прошлом условия на планете были значительно более влажными.
Марсоход проработал на поверхности Марса более 2000 марсианских суток. За это время он исследовал почву и горные породы в кратере Гусева, включая районы Колумбийских холмов.
Одним из научных приборов Spirit был миниатюрный мёссбауэровский спектрометр MIMOS II. Он предназначался прежде всего для изучения минералов железа.
Полученные им спектры позволяли определить, какие формы железосодержащих минералов присутствуют в исследуемом материале. Это особенно важно для Марса, поскольку железо широко распространено в его грунте и породах, а изменения его химического состояния могут сохранять информацию о воздействии окружающей среды.
Однако у наблюдений Spirit было существенное ограничение: каждое отдельное измерение не всегда давало достаточно сильный сигнал.
Марсоход располагал ограниченными запасами энергии, временем работы приборов и вычислительными ресурсами. Кроме того, научные операции распределялись между несколькими инструментами. Некоторые измерения были относительно короткими, а качество отдельных спектров зависело от продолжительности наблюдения, положения прибора относительно цели, особенностей работы оборудования и других факторов.
В результате небольшое количество минерала могло присутствовать в образце, но оставаться практически незаметным на фоне более сильных сигналов.
Именно это произошло с некоторыми железосодержащими минералами.
Учёные объединили измерения из разных мест
Вместо того чтобы рассматривать каждый спектр отдельно, исследователь собрал результаты мёссбауэровских измерений, выполненных Spirit на ненарушенном грунте в разных районах кратера Гусева.
Всего были использованы данные 32 участков.
Измерения проводились в разные моменты миссии и при разных температурах. В исследовании была разработана методика объединения совместимых данных таким образом, чтобы повысить отношение полезного сигнала к шуму.
Иными словами, отдельные слабые признаки, которые было трудно различить по одному измерению, стали заметнее после объединения большого массива наблюдений.
Так удалось получить сводный спектр марсианского грунта.
Это принципиально отличается от обнаружения нового минерала непосредственно во время работы марсохода. Spirit не вернулся к этим участкам и не провёл новые измерения. Результат появился благодаря повторному анализу уже существующей информации.
В грунте обнаружили кристаллический гематит
Наиболее интересным результатом стало обнаружение признаков кристаллического гематита в обычном ненарушенном грунте кратера Гусева.
Гематит — минерал оксида железа. На Земле он может образовываться разными способами, поэтому его присутствие не является абсолютно однозначным доказательством существования жидкой воды.
Однако взаимодействие железосодержащих пород с водой является одним из важных процессов, способных приводить к образованию гематита.
Для планетологов поэтому имеет значение не только сам факт присутствия минерала, но и его сочетание с другими признаками химического изменения пород.
Предыдущие исследования данных Spirit указывали на то, что кристаллический гематит в обычных почвах района посадки либо отсутствовал, либо присутствовал в количествах, слишком малых для уверенного обнаружения.
Новая работа предлагает пересмотреть этот вывод.
По мнению исследователя, гематит находился в грунте и раньше, но его сигнал оказался слишком слабым в отдельных измерениях.
Второй важный минерал — изменённый магнетит
Кроме гематита, новый анализ выявил признаки изменённого магнетита.
Магнетит — ещё один железосодержащий минерал, широко известный на Земле и Марсе.
Для интерпретации марсианского грунта важно то, что исходные железосодержащие минералы могли химически изменяться под воздействием окружающей среды.
Наличие изменённого магнетита вместе с кристаллическим гематитом указывает на то, что минералогический состав грунта не оставался неизменным после его формирования.
В исследовании сделан вывод о том, что на поверхности Марса происходили процессы как химического, так и физического выветривания.
Это важная деталь. Вода не обязательно должна была присутствовать на поверхности в виде огромного океана именно в том месте, где обнаружены минералы. Минеральные изменения могут сохранять информацию о воздействии воды и других факторов в разные периоды истории региона.
Почему гематит важен для истории воды на Марсе
Сегодня Марс представляет собой холодную и сухую планету с очень разреженной атмосферой. Стабильные условия для существования больших объёмов жидкой воды на поверхности отсутствуют.
Однако геологическая поверхность Марса сохранила множество свидетельств того, что в далёком прошлом ситуация была иной.
На планете обнаружены древние долины, русла, дельты, отложения, связанные с озёрами, и породы, изменённые водой.
Поэтому вопрос для планетологов заключается уже не столько в том, была ли вода на древнем Марсе вообще, сколько в том, насколько широко она распространялась, как долго сохранялась и в какие периоды существовала в жидком состоянии.
Именно здесь результаты нового анализа становятся особенно интересными.
Если признаки водного химического выветривания обнаруживаются не только в хорошо сохранившихся древних породах, но и в обычном грунте, это может означать, что воздействие воды происходило на значительно большей территории.
Обычный марсианский грунт может хранить глобальную историю
Поверхность Марса покрыта пылью и грунтом, которые формировались и перерабатывались на протяжении огромных промежутков времени.
Марсианская пыль постоянно перемещается ветром. На неё влияют перепады температуры, механическое разрушение пород и другие процессы выветривания.
Поэтому грунт в одном месте может содержать материал, который первоначально сформировался или изменился в другом районе.
Это делает марсианский реголит своеобразным архивом поверхностных процессов.
Если определённые минералы действительно широко распространены в обычном грунте, их исследование может дать информацию не только о конкретном месте посадки марсохода.
При этом учёные пока не утверждают, что новый результат доказывает существование воды повсюду на Марсе. Речь идёт о расширении картины распространения водных процессов.
Кратер Гусева уже считался важным местом для изучения воды
Выбор Spirit для исследования кратера Гусева был неслучайным.
Гусев представляет собой крупный ударный бассейн, в который впадает древняя система долин.
Это обстоятельство сделало кратер одним из перспективных мест для поиска свидетельств существования древнего озера.
Во время миссии Spirit действительно обнаружил многочисленные свидетельства изменения пород.
Особенно важными стали исследования Колумбийских холмов.
Марсоход обнаружил там минералы и породы, свойства которых указывали на воздействие воды.
Таким образом, новое исследование не отменяет предыдущие результаты Spirit, а дополняет их.
Теперь исследователи получили возможность посмотреть не только на отдельные необычные породы, но и на более типичный марсианский грунт.
Раньше сильнее всего выделялись локальные свидетельства
В планетологии особенно ценны породы, в которых хорошо сохранились следы древней воды.
Например, если минерал образовался в результате взаимодействия породы с жидкостью, его обнаружение может дать достаточно прямую информацию об условиях прошлого.
Но такие породы не обязательно равномерно распределены по всей планете.
Новый анализ предлагает другой подход: искать слабые признаки древних процессов в обычном грунте.
Это сложнее, поскольку концентрация интересующего минерала может быть очень небольшой.
Зато такой подход потенциально позволяет увидеть более масштабную картину.
Что именно можно заключить о древнем Марсе
Новый результат укрепляет представление о том, что вода сыграла существенную роль в формировании марсианской поверхности.
Однако важно правильно понимать степень доказательства.
Обнаружение гематита не означает автоматически, что в кратере Гусева существовало море или что конкретный участок грунта когда-то находился под водой.
Гематит способен формироваться и в результате других процессов, включая некоторые вулканические и гидротермальные процессы.
Поэтому наиболее надёжный вывод связан с химическим изменением железосодержащих минералов и совместимостью этих изменений с воздействием воды.
А уже распространённость подобных признаков позволяет обсуждать более масштабные сценарии.
Марс мог быть влажным не только в отдельных оазисах
Одним из важных вопросов в изучении древнего Марса является продолжительность существования воды.
Одно дело — кратковременные эпизоды, когда вода появлялась на поверхности после климатических или вулканических событий.
Другое — длительно существующие озёра и устойчивые водные системы.
Наблюдения разных миссий показывают, что на Марсе существовали оба типа процессов, однако их относительное значение всё ещё исследуется.
Spirit обнаружил изменённые водой породы в Колумбийских холмах. Позднее Curiosity получил свидетельства существования длительно существовавших озёр в кратере Гейла. Perseverance исследует древнюю дельту реки в кратере Езеро.
Новая работа добавляет к этой картине минералогические признаки в обычном грунте Гусева.
В совокупности это усиливает аргумент в пользу того, что древний Марс был гораздо более разнообразным и влажным миром, чем его современная поверхность.
Следы воды важны и для поиска древней жизни
История воды на Марсе интересует учёных не только сама по себе.
На Земле вода является ключевым компонентом известных нам биологических процессов. Поэтому поиск древних водных сред на Марсе непосредственно связан с вопросом о том, существовали ли когда-либо условия, пригодные для микробной жизни.
Но наличие воды не является доказательством существования жизни.
Для возникновения и сохранения жизни необходим комплекс условий, включая подходящую химическую среду и источник энергии.
Поэтому минералогические данные о воде помогают определить, где и когда следует искать потенциальные признаки древней биологической активности.
Именно этим объясняется интерес к древним озёрам, речным дельтам и изменённым водой породам.
Почему новые результаты появились спустя два десятилетия
История Spirit хорошо показывает, что космическая наука не заканчивается после завершения миссии.
Марсоход передал на Землю огромное количество научной информации. Значительная часть этих данных продолжает храниться в архивах и может анализироваться с использованием новых методов.
Когда Spirit работал на Марсе, исследователи должны были принимать решения на основании данных, которые поступали с огромного расстояния и собирались приборами с ограниченными возможностями.
Сейчас учёные могут объединять результаты большого числа экспериментов и применять более совершенные статистические методы.
Это позволяет извлекать из старых наблюдений информацию, которую невозможно было уверенно увидеть во время самой миссии.
В данном случае решающим оказался не новый прибор и не новое посещение Марса, а другой способ обработки уже полученных спектров.
Почему отдельное измерение оказалось недостаточным
Мёссбауэровская спектроскопия позволяет исследовать свойства железосодержащих минералов по характерным особенностям спектра.
Но если интересующий минерал присутствует в очень небольшой концентрации, его сигнал может оказаться слабее шума.
Кроме того, отдельные измерения Spirit могли быть короткими.
В опубликованной работе отмечается, что на качество некоторых спектров могли влиять продолжительность накопления данных, ошибки командных последовательностей, проблемы с памятью марсохода, воздействие интенсивного космического излучения и неточное расположение прибора относительно исследуемой поверхности.
Поэтому отсутствие отчётливого сигнала в конкретном измерении не обязательно означало полное отсутствие соответствующего минерала.
Это важный принцип для анализа данных космических миссий: «не обнаружено» и «не существует» — не одно и то же.
Объединение данных повысило чувствительность анализа
Вместо попытки найти слабый сигнал в каждом отдельном наблюдении исследователь использовал совокупность измерений.
Когда множество совместимых данных объединяется, случайные шумовые компоненты частично компенсируют друг друга, а повторяющийся слабый сигнал становится более заметным.
Именно такой подход позволил выделить признаки кристаллического гематита и магнетита.
Получившийся профиль железосодержащих минералов стал значительно более информативным, чем отдельные исходные спектры.
При этом метод не создаёт новые данные. Он позволяет лучше использовать уже существующие.
Что ещё нашли в марсианском грунте
Помимо обнаруженных признаков гематита и магнетита, в исследованном грунте присутствуют другие характерные для марсианских базальтов минералы.
Среди них — оливин и пироксены.
Также выявляется плохо кристаллическая железосодержащая фаза.
Именно совокупность компонентов позволяет составлять представление о происхождении и последующих изменениях марсианского грунта.
Оливин и пироксены характерны для вулканических пород. Их наличие согласуется с базальтовым происхождением значительной части марсианского материала.
А изменения железосодержащих минералов позволяют проследить последующие процессы выветривания.
Марсианская почва хранит следы сразу нескольких эпох
Грунт на поверхности Марса нельзя рассматривать как совершенно свежий материал.
Он формировался и перерабатывался в течение длительного времени.
Ветер переносит пыль, перепады температуры способствуют разрушению пород, удары метеороидов перемешивают поверхностный материал.
Если в прошлом в этом процессе участвовала вода, её воздействие могло изменить химический состав отдельных минералов.
После исчезновения стабильной жидкой воды эти изменения не обязательно исчезают.
Минералы продолжают сохранять химические признаки прошлых условий.
Именно поэтому анализ состава современного грунта способен рассказывать об очень древней истории Марса.
Новая работа не означает, что Марс был полностью покрыт океаном
Заголовок о том, что значительные области Марса могли быть покрыты водой, легко интерпретировать слишком широко.
На самом деле исследование не устанавливает размеры древнего океана и не определяет площадь поверхности, находившейся под водой.
Главный результат заключается в обнаружении ранее не выделявшихся признаков кристаллического гематита и изменённого магнетита в обычном ненарушенном грунте Гусева.
Исследователь считает, что распространённость этих минералов согласуется с более широким распространением водных процессов.
Это гипотеза, основанная на минералогических данных, а не прямая геологическая карта древних морей.
Для проверки такого вывода потребуются дополнительные наблюдения из других районов Марса.
Следующий шаг — сравнить данные из разных районов планеты
Авторы исследования уже указывают направление дальнейшей работы.
Следующим этапом может стать анализ аналогичных данных, полученных марсоходом Opportunity в районе Меридиани Планум.
Это особенно важно для проверки предположения о том, насколько широко распространённый марсианский грунт может представлять общую поверхностную единицу планеты.
Если сходные минералогические признаки будут обнаружены в независимых регионах, аргумент в пользу масштабного распространения водных процессов станет сильнее.
Если же состав существенно различается, это поможет определить, насколько важную роль играли местные условия.
Spirit продолжает работать в научном смысле
Сам марсоход Spirit уже давно не передвигается по поверхности Марса.
После потери связи с аппаратом миссия завершилась, но её научное наследие продолжает расширяться.
Новые результаты показывают, что ценность космической миссии определяется не только количеством новых объектов, которые удалось посетить, или фотографий, которые были переданы на Землю.
Иногда наиболее важное открытие появляется спустя годы, когда исследователи находят способ задать старым данным новый вопрос.
В случае Spirit такой вопрос касался состава обычного марсианского грунта и слабых сигналов железосодержащих минералов.
Что эта находка меняет в представлениях о Марсе
Современный Марс — холодный, сухой и малопригодный для жизни на поверхности мир.
Однако геологическая летопись планеты показывает совершенно другую картину прошлого.
Когда-то на Марсе существовали озёра, речные системы и другие среды, связанные с жидкой водой. Некоторые из них могли сохраняться достаточно долго, чтобы оставить сложные минералогические и геологические следы.
Новый анализ данных Spirit добавляет ещё один элемент к этой картине.
Теперь признаки воздействия воды обнаружены не только в отдельных изменённых породах, но и в обычном грунте кратера Гусева.
Если подобные минералогические особенности окажутся широко распространёнными, это может означать, что вода влияла на поверхность Марса в гораздо большем масштабе, чем показывают отдельные хорошо сохранившиеся геологические структуры.
Старые марсианские данные становятся источником новых открытий
История с гематитом особенно показательна для современной планетологии.
Для получения нового научного результата не всегда требуется отправлять новый аппарат к другой планете.
Иногда достаточно заново изучить архив.
За последние десятилетия значительно выросли возможности обработки больших массивов данных. Исследователи получили возможность объединять результаты многочисленных наблюдений, отделять слабые сигналы от шума и искать закономерности, которые невозможно было увидеть в отдельных экспериментах.
Spirit собрал свои данные в начале XXI века, но их научный потенциал ещё не исчерпан.
И это означает, что подобная ситуация может повториться с другими марсианскими миссиями.
Наблюдения Curiosity, Perseverance, Opportunity и орбитальных аппаратов также могут содержать признаки, которые пока не были выделены или интерпретированы в полной мере.
Марс постепенно превращается из набора отдельных мест в единую историю
Каждая миссия изучает ограниченный участок планеты.
Spirit работал в Гусевом кратере, Curiosity исследует кратер Гейла, Perseverance — кратер Езеро. Орбитальные аппараты наблюдают значительно большие площади, но получают преимущественно дистанционные данные.
Поэтому особенно важно объединять результаты разных миссий.
Геология Гусева рассказывает одну часть истории. Древние озёра Гейла — другую. Речная дельта Езеро — третью.
Минералогический анализ обычного грунта позволяет связать отдельные наблюдения с более общими процессами, которые могли действовать на больших территориях.
Именно такой переход от отдельных мест к планетарной картине является одним из наиболее интересных направлений современного изучения Марса.
Главный вопрос теперь звучит иначе
Раньше одним из центральных вопросов было: «Была ли на Марсе вода?»
Сегодня ответ на него уже достаточно убедителен: многочисленные геологические и минералогические данные показывают, что в прошлом жидкая вода действительно существовала на поверхности Марса.
Теперь важнее понять, насколько широко она распространялась, сколько времени сохранялась и насколько часто создавались условия, потенциально пригодные для жизни.
Новый анализ данных Spirit не даёт окончательного ответа на эти вопросы.
Но он показывает, что даже обычный марсианский грунт может содержать слабые химические свидетельства давно исчезнувшей воды.
И это делает архивные данные старого марсохода ценным источником информации о времени, когда Марс был гораздо более влажным и динамичным миром, чем сегодня.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
Приятно видеть, что не смотря на сложности в мире наука движется вперед и старые данные анализируются.