A decade on Mars with fifteen million neutron pulses

Космический эксперимент с активным нейтронным спектрометром ДАН («Динамическое альбедо нейтронов») проводится с целью измерения содержания воды в приповерхностном слое грунта на дне марсианского кратера Гейл. Эта вода сохранилась в грунте с тех древних времен, когда Марс был теплой планетой с озерами и реками на поверхности. Одно из таких озер заполняло кратер Гейла, образовавшегося при падении метеорита.

Основной целью исследований марсохода является проверка гипотезы о том, что на древнем Марсе могла зародиться примитивная жизнь. Согласно современным представлением, она могла появиться в водных резервуарах, таких как озеро в кратере Гейла. Поэтому анализ данных измерений аппаратуры ДАН вдоль трассы движения марсохода может привести исследователей к ответу на сакраментальный вопрос о существовании жизни на древнем Марсе.

С даты первого включения прибора ДАН прошло 10 лет, марсоходом пройдено 29 километров, но в донных отложениях высохшего озера свидетельств существования живых организмов пока найти не удалось. Научная команда марсианского проекта НАСА, в которой участвуют российские ученые, продолжит исследования на марсоходе с применением приборов, которые за десятилетие работы на Марсе не утратили своей работоспособности.

ДАН — это первый в истории научной космонавтики активный нейтронный детектор, специально разработанный в нашей стране для исследований Марса методом нейтронного каротажа. В состав аппаратуры ДАН входят блок управления и детектирования нейтронов, созданный в Институте космических исследований РАН, и импульсный нейтронный генератор, созданный во Всероссийском научно-исследовательском институте автоматики им. Н. Л. Духова. Генератор облучает поверхность Марса короткими импульсами быстрых нейтронов, а детекторы регистрируют нейтронный отклик от поверхности, характеристики которого зависят от массовой доли воды и от наличия в грунте элементов с большим сечением поглощения нейтронов, в первую очередь, хлора.

За 10 лет работы на поверхности Марса российско-американская команда эксперимента ДАН провела более 5000 дежурных смен в составе группы управления марсоходом, обеспечивая ежедневное планирование научной программы марсохода в части эксперимента ДАН. Всего было проведено почти 1500 сеансов нейтронного зондирования марсианской поверхности, или около 3 сеансов в неделю. Нейтронный генератор произвел более 15 миллионов импульсов нейтронного излучения, многократно превысив свой технический ресурс, но при этом продолжает штатно и без сбоев функционировать на марсианской поверхности.

Десятилетие работы на Марсе команда ДАН отметила составлением каталога данных научных измерений, показывающих в деталях, как меняется содержание воды и хлора в грунте вдоль трассы движения марсохода. Это каталог будет опубликован в 2022 году. Описание и основные результаты эксперимента ДАН представлены в 27 статьях в российских и американских научных реферируемых журналах.

В эксперименте ДАН установлено, что современная поверхность дна кратера Гейл имеет концентрацию воды в пределах от 0 до 6%, причем наибольшие значения наблюдается именно там, где другие приборы наблюдают присутствие гидратированных минералов, сформировавшихся в прежнюю эпоху, когда кратер был заполнен водой. Грунт на дне кратера имеет переменную соленость, в пределах от 0 до 2.5%. Показано, что различные геоморфологические формации, через которые пролегла трасса марсохода, имеют различные концентрации грунтовой воды и хлора. Эти данные позволяют определить характер процессов, которые привели к их формированию во время различных эпох эволюции планеты.

Второй практически важный результат эксперимента ДАН связан с измерением собственного нейтронного излучения Марса. Это позволило оценить величину нейтронной компоненты марсианского радиационного фона и сопоставить ее с данными других приборов-дозиметров, работающих на поверхности и на орбите вокруг планеты. Информация о радиационной обстановке необходима для подготовки будущих пилотируемых экспедиций к Марсу.

Успех ядерно-физического эксперимента ДАН на Марсе создал благоприятные условия для разработки новых космических приборов для применения в составе перспективных лунных аппаратов в рамках российской лунной программы. Созданные на основе технологий прибора ДАН активные спектрометры нейтронного и гамма-излучения приборы АДРОН будут установлены на борту будущих автоматических лунных станций «Луна-25» и «Луна-27». С их помощью методом нейтронного каротажа можно будет измерить состав вещества лунного грунта и массовую долю водяного льда в составе реголита в окрестности южного полюса Луны.

***

Участие России в проекте «Марсианская Научная Лаборатория Кьюриосити» (Mars Science Laboratory/Curiosity Rover) определено Исполнительным соглашением между НАСА и Федеральным космическим агентством (в настоящее время Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос»), по заказу которого в Институте космических исследований Российской академии наук была создана аппаратура ДАН. В создании научной аппаратуры ДАН и в подготовке космического эксперимента участвовали Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН и Объединенный институт ядерных исследований (г. Дубна). Научный руководитель эксперимента ДАН — д.ф.-м.н. Игорь Георгиевич Митрофанов, заведующий отделом ядерной планетологии ИКИ РАН.