Нейтронная разведка Марса: всё подробнее и подробнее

Нейтронный спектрометр ФРЕНД измеряет поток и энергетический спектр нейтронов от поверхности Марса. По этим данным можно восстановить содержание водорода на поверхности и в грунте планеты на глубину до 1 метра. А зная концентрацию водорода, можно предположить, сколько воды могло бы находиться, если бы весь обнаруженный водород принадлежал именно молекулам воды (H₂O).

Последний показатель называется WEH (сокращение от Water Equivalent Hydrogen, «водяной эквивалент водорода») и измеряется в массовых процентах (wt%, от weight percent). WEH = 20 wt% означает, что вода в данном объёме грунта составляет 20 процентов от массы, если предположить, что весь наблюдаемый водород входит именно в молекулы воды.

Если WEH > 20 wt%, то, скорее всего, прибор наблюдает чистый водяной лёд. На Марсе это значение действительно наблюдается на полярных широтах выше 60 градусов — там прибор видит районы вечной мерзлоты. А на умеренных широтах (полоса вокруг экватора до 50 градусов к северу и югу) WEH обычно составляет всего несколько процентов. Предположительно, в этом случае мы имеем дело с водородом в составе гидратированных минералов (в таких минералах водород входит в химический состав молекулы).

Сейчас на орбите вокруг Марса находятся два нейтронных спектрометра, созданных в Институте космических исследований Российской академии наук. Первый — ХЕНД (или HEND), который отправился в космос в 2001 году на борту аппарата Mars Odyssey (NASA). Второй — нейтронный телескоп ФРЕНД (FREND) на борту аппарата TGO российско-европейской миссии «ЭкзоМарс-2016», которая была запущена в марте 2016 г.

От предшественника ФРЕНД отличает важная конструктивная деталь — коллиматор или экран, который ограничивает поля зрения детекторов. Детекторы ФРЕНД регистрируют не все нейтроны, прилетающие к нему с планеты, а только те, что прошли через «окна» коллиматора. Таким образом, поле зрения прибора сужается и пространственное разрешение полученных изображений повышается. Благодаря этому ФРЕНД способен составить максимально подробную карту распределения водорода в грунте.

Научная миссия аппарата TGO началась в мае 2018 года, когда он вышел на рабочую круговую орбиту вокруг Марса с высотой около 400 км и наклонением 74 градуса. Это дает возможность составлять карты поверхности до 74 градусов широты на севере и на юге. Пространственное разрешение карты, то есть размер деталей, которые можно различить на ней, сейчас составляет 600 км на пиксел.

Слово «сейчас» не случайно: чем дольше ФРЕНД работает на орбите, тем меньше пространственное разрешение карт, которое можно получить. Несмотря на то что текущее статистическое обеспечение карт соответствует пространственному разрешению карт неколлимированного «предшественника», прибора ХЕНД (600 км), на карте ФРЕНД хорошо видно гораздо большее количество деталей, не различимых ранее. При продолжении измерений станет возможным получить карты с ещё большей детализацией, вплоть до 60 км на пиксел.

В статье, опубликованной в JGR: Planets, приводятся карты, полученные по результатам наблюдений в течение двух марсианских (или четырех земных) лет.

Интересно, что численный анализ данных ФРЕНД показал, что для большинства районов измеренный прибором показатель WEH больше, чем следовало из данных ХЕНД. Причина в том, что благодаря экрану-коллиматору детекторы ФРЕНД не получают «лишние» нейтроны, приходящие не из поля зрения прибора, снижающие оценку содержания воды в данных ХЕНД.

Интерес для исследователей, конечно, представляют в первую очередь «влажные» районы. На карте ФРЕНД были отмечены 23 района с повышенным содержанием воды (WEH > 5 wt%), при этом важным критерием было то, что они по этому показателю резко отличаются от окружения. Эти своего рода «оазисы» представляют интересный материал для исследований.

Два таких «оазиса» находятся в относительной близости к экватору. Один (10 на карте) — рядом с землей Аравия, второй (17) — в ей центре. По оценкам ФРЕНД, значение WEH тут составляет 23–24 wt%, что заставляет сделать предположение о том, что здесь водород может присутствовать в форме водяного льда. Но согласно современным представлениям, открытый ледник не может существовать в экваториальных областях Марса из-за относительно высокой температуры и малого давления. Ответ на эту загадку ещё предстоит найти.

В число регионов с повышенным содержанием водорода также вошел каньон Долины Маринера, где значение WEH в обнаруженной области превышает 20 wt% (регион 1). Долины Маринера были подробно изучены ранее: было продемонстрировано, что в небольшой центральной области содержание воды достигает 40 wt%, что можно интерпретировать как ледник на дне каньона. В результате нового подхода оказалось, что район с содержанием водорода порядка 20 wt% на дне каньона гораздо больше и, фактически, составляет большую часть всего каньона, а в трёх его районах обнаруживается мерзлота с ещё большим содержанием воды, похожим на настоящий лёд.

ФРЕНД и TGO продолжают работать на орбите. По мере накопления данных и повышения их статистической обеспеченности мы ожидаем, что на карте появится больше деталей. Они, возможно, помогут понять, как развивалась Красная планета в прошлом и куда лучше всего отправить будущую исследовательскую экспедицию.

***

Прибор ФРЕНД создан в Институте космических исследований РАН в рамках государственного контракта с Госкорпорацией «Роскосмос» для российско-европейской миссии «ЭкзоМарс». Обработка и научная интерпретация полученных в рамках эксперимента данных выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект «Исследование распределения содержания воды в приповерхностном грунте Марса по данным эксперимента ФРЕНД миссии ЭкзоМарс»).

***

Проект «ЭкзоМарс»/ExoMars — совместный проект Роскосмоса и Европейского космического агентства.

Проект предполагалось реализовать в два этапа. Первая миссия с запуском в 2016 году включает два космических аппарата: орбитальный Trace Gas Orbiter (TGO) для наблюдений атмосферы и поверхности планеты и посадочный модуль «Скиапарелли» (Schiaparelli) для отработки технологий посадки.

Научные задачи аппарата TGO — регистрация малых составляющих марсианской атмосферы, в том числе метана, картирование распространенности воды в верхнем слое грунты с высоким пространственным разрешением порядка десятков км, стереосъёмка поверхности. На аппарате установлены два прибора, созданные в России: спектрометрический комплекс АЦС (ACS — Atmospheric Chemistry Suit, Комплекс для изучения химии атмосферы) и нейтронный телескоп высокого разрешения ФРЕНД (FREND, Fine-Resolution Epithermal Neutron Detector). Также Россия предоставляет для запуска ракету-носитель «Протон» с разгонным блоком «Бриз-М».

Второй этап проекта предусматривал запуск в 2022 г. российской посадочной платформы «Казачок» с европейским автоматическим марсоходом «Розалинд Франклин» (Rosalind Franklin) на борту. Россия предоставляла для запуска ракету-носитель «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М». С марта 2022 г. проект был приостановлен.

В рамках обоих этапов в России создаётся объединенный с ЕКА наземный научный комплекс проекта «ЭкзоМарс» для приёма, архивирования и обработки научной информации.