В 1877 году итальянский астроном Джованни Скиапарелли разглядел на поверхности Марса прямые линии и назвал их каналами. С тех пор вот уже почти полтора века не утихают споры о том, есть ли жизнь на Красной планете, расположенной в полтора раза дальше от Солнца, чем Земля.
Начиная с середины 1960-х годов к Марсу было отправлено около 40 космических экспедиций. Не все они оказались успешными, однако те, которым хотя бы частично удалось выполнить программу исследований, собрали и передали на Землю огромный объём данных. Сейчас уже нет никаких сомнений, что на Марсе отсутствует высокоорганизованная жизнь, тем более разумная, хотя вопрос о существовании каких-либо форм жизни в далёком прошлом остался открытым. В пользу такой возможности говорит обнаружение на Марсе достаточно большого количества водяного пара и льда и многочисленных свидетельств присутствия жидкой воды на поверхности планеты в прошлом. По современным представлениям, это важнейшее условие для развития и поддержания жизни.
Марсоходы НАСА «Спирит» и «Оппортьюнити» нашли минералы, которые могли образоваться только в результате длительного воздействия воды. Орбитальный зонд «Марс Одиссей» и за ним и другие космические аппараты «увидели» залежи льда под поверхностью планеты. Окончательную точку в решении вопроса о наличии воды на Марсе поставил посадочный модуль «Феникс» (2008), обнаруживший её непосредственно в грунте. И наконец, в 2012 году марсоход «Кьюриосити» наткнулся на следы пересохшего водного потока, а затем в 2013 году определил, что содержание воды в грунте достаточно велико, до 2% по весу. Кроме того, по данным «Феникса», марсианская почва по характеристикам близка к земной и содержит необходимые составляющие для возникновения и поддержания жизни. Теоретически на такой почве можно выращивать растения. А марсоход «Кьюриосити» выявил в образце грунта углеродные соединения.
Но если растения на Марсе и существовали, то лишь в далёком прошлом. В настоящее время там можно рассчитывать найти в лучшем случае микроорганическую жизнь. Пока что все попытки обнаружить микроорганизмы окончились неудачей, однако некоторые аргументы в пользу их наличия всё же имеются.
Главный из них — присутствие в атмосфере Марса метана. Происхождение этого газа может быть как биологическое, так и геологическое, связанное с вулканической деятельностью. Со времён формирования планеты, которое произошло около 4,5 миллиарда лет назад, метан сохраниться не мог. Дело в том, что слабая атмосфера Марса неспособна защитить метан от ультрафиолетового излучения Солнца, которое разрушает его достаточно быстро, за 300—600 лет. Поэтому для существования метана в настоящее время необходимо наличие постоянного источника. Однако современная вулканическая деятельность на Марсе не обнаружена. На Земле более 90% метана производят живые организмы, и это делает метан возможным индикатором жизни.
Первое обнаружение метана на Марсе зондом «Маринер-7», признанное впоследствии недостоверным, относится к 1969 году. Но официальной датой его открытия считается 2003 год, когда выбросы метана в атмосферу Марса зафиксировали IRTF (инфракрасный телескоп НАСА) и телескоп обсерватории Кека, расположенные на Гавайских островах. По оценкам, при самом мощном выбросе в атмосферу тогда попало около 19 тысяч тонн метана. Позднее метан регистрировался как в наземных наблюдениях, так и космическими аппаратами, в частности зондом «Марс-Экспресс».
С метаном связана ещё одна загадка. По наблюдениям, содержание метана в атмосфере Марса сильно и быстро колеблется, что приводит к временам его жизни не более четырёх лет вместо сотен лет. Учёные не знают пока процессов, приводящих к столь быстрому разрушению метана. В какой-то момент они даже поставили под сомнение достоверность его обнаружения. Однако марсоход «Кьюриосити» в 2013 и 2014 годах надёжно зафиксировал выбросы метана в атмосферу, что, судя по всему, свидетельствует о существовании его локального источника. Правда, природа источника не была установлена.
Биологи предполагают, что источником метана могут служить микроорганизмы, аналогичные земным метаногенам, способные производить метан в результате метаболизма глубоко под поверхностью планеты. В Южной Африке они обнаружены на глубине 2—3 км. Такие микробы могли бы выжить ниже слоя вечной мерзлоты на Марсе. Возможно, вымершие миллионы лет тому назад микробы оставили замороженный метан, который теперь постепенно оттаивает.
Можно ещё отметить сообщение исследователей НАСА в 1996 году об обнаружении в метеорите ALH 84 001 микроскопических структур, напоминающих окаменелые примитивные бактерии. Этот метеорит был найден в 1984 году в Антарктиде и по изотопному составу определён как марсианский. Впрочем, нельзя исключить, что бактерии попали на метеорит уже на Земле, хотя их размеры значительно меньше земных аналогов.
Один из способов проверки биологического происхождения метана — измерение соотношения изотопов углерода и водорода, из которых состоит метан. Жизнь на Земле имеет тенденцию к использованию более лёгких изотопов, так как это требует меньше энергии. Например, углерода-12 будет больше по сравнению с углеродом-13.
Разрешить ряд вопросов, связанных с поисками жизни на Марсе, должна совместная миссия «Роскосмоса» и Европейского космического агентства «ЭкзоМарс», первый этап которой успешно стартовал 14 марта 2016 года. Космический аппарат с помощью российской ракеты-носителя «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М» успешно выведен на траекторию перелёта к Марсу. Приставка «экзо» досталась названию миссии от науки экзобиологии, изучающей происхождение, эволюцию и распространение жизни на других планетах.
В составе миссии на Красную планету отправилась связка из двух космических аппаратов — орбитального исследовательского комплекса Trace Gas Orbiter (орбитальный газовый индикатор, TGO) и спускаемого посадочного модуля «Скиапарелли», получившего название в честь астронома, который увидел марсианские каналы.
TGO предназначен в первую очередь для изучения атмосферы Марса. Важнейшая его задача — доказать наличие в ней метана. Предстоит ответить на вопросы о сезонной зависимости выбросов метана, а также о их связи с определённой местностью. Для этого модуль имеет высокочувствительные спектрометры, способные исследовать химический состав марсианской атмосферы вплоть до самых малых составляющих. Спектрометры будут работать в различных режимах, используя как отражённый солнечный свет, так и собственное излучение планеты. Во время солнечных затмений они будут регистрировать излучение Солнца, проходящее через атмосферу Марса.
По измерениям концентрации компонентов атмосферы, их распределению по высоте и построенной температурной карте можно будет судить о процессах в атмосфере. По газовым следам исследователи, используя стереофотосъёмку поверхности планеты с очень высоким разрешением камеры (5 м на пиксель), будут искать на ней объекты, возможно связанные с источниками газа. Ими могут быть вулканы или геологические особенности поверхности.
Регистрируя с помощью нейтронного детектора поток нейтронов от поверхности Марса, планетологи смогут составить карты распространения воды, водяного льда и других водородсодержащих соединений в приповерхностном слое глубиной до 1 м, а также оценить их количество. Исследователи хотят сравнить потоки нейтронов от поверхности Марса в зависимости от сезона и солнечной активности.
Кроме того, физики проведут мониторинг радиационной обстановки на орбите вокруг Марса, изучат состояние гелиосферы и вклад разных типов частиц (электронов, протонов и других) в радиационную дозу на трассе перелёта «Земля — Марс» и на марсианской орбите.
На борту TGO размещены четыре научных прибора, два из которых создали российские исследователи из Института космических исследований РАН.
Первый — комплекс для изучения химии атмосферы ACS (Atmospheric Chemistry Suite), включающий три спектрометра и электронный блок управления и связи. Его чувствительность позволяет обнаруживать составляющие атмосферы в количестве нескольких частиц на триллион.
Второй — нейтронный детектор FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector — нейтронный детектор высокого разрешения). Он продолжит картирование распространённости водяного льда в грунте планеты, которые ведутся в ИКИ РАН с начала 2000-х годов. Высокое пространственное разрешение, до 40 км, позволит «увидеть» тонкие детали отложений вечной мерзлоты под поверхностью Марса. Такие карты необходимы, в частности, для выбора места посадки будущих марсианских миссий.
Демонстрационный посадочный модуль «Скиапарелли» предназначен для отработки технологии мягкой посадки, которая будет использована на втором этапе миссии — «ЭкзоМарс-2018», когда на планету будет доставлен полноценный марсоход. Тем не менее модуль несёт небольшое количество датчиков для сбора данных о марсианской атмосфере во время спуска и для изучения окружающей среды на поверхности Марса.
Ожидается, что после посадки приборы проработают от двух до восьми суток. Будут измерены влажность, давление, температура воздуха вблизи поверхности, прозрачность атмосферы, а также проведены первые измерения электрических полей на поверхности Марса. Последние в сочетании с измерениями концентрации атмосферной пыли позволят разобраться в роли электрических сил в пылевом подъёме — «спусковом крючке» знаменитых марсианских пыльных бурь.
Полёт к Марсу продлится около 7 месяцев. 16 октября 2016 года на расстоянии 900 000 км от планеты модули разделятся. 19 октября «Скиапарелли» осуществит посадку на поверхность Марса. Оставшийся на орбите TGO через двенадцать часов перейдёт на эллиптическую четырёхдневную орбиту вокруг Марса с минимальным удалением около 300 км и максимальным 96 000 км. А с середины декабря 2016 года начнёт манёвры по снижению с помощью атмосферы Марса, которые продлятся от 6 до 9 месяцев. В результате он перейдёт на круговую орбиту с высотой 400 км над поверхностью Марса. Запланированная длительность миссии — марсианский год, или около 687 земных суток.
На втором этапе миссии, который стартует в 2018 году, поиск жизни будет вестись на поверхности Марса в ходе комплексных исследований атмосферы и почвы, причём с учётом геологии и рельефа. На Марс доставят российскую посадочную платформу с марсоходом ЕКА, после схода которого платформа начнёт работать как научная станция. На её борту разместят 13 приборов, 11 из которых изготовят в России в кооперации с зарубежными организациями. Этот комплекс научной аппаратуры будет изучать состав и свойства атмосферы и поверхности Марса, метеоусловия, проводить электрические, магнитные и сейсмические измерения, поиск воды.
В состав комплекса научной аппаратуры «Пастер» марсохода также войдут два российских прибора: инфракрасный спектрометр ISEM (Infrared Spectrometer for Mars), служащий для минералогического анализа поверхности, и нейтронный спектрометр ADRON-MR для поиска воды. Поскольку органическое вещество на поверхности разрушается, марсоход снабжён буровой установкой, способной проникнуть на глубину до 2 м, где, возможно, органика сохранилась.
Марсианские исследования могут оказаться очень важными и для понимания эволюции жизни на нашей планете. При изучении древних биомаркеров на Земле существуют две основные сложности. Первая заключается в том, что некоторые неорганические процессы производят минеральные структуры, очень похожие на окаменелые простые биологические формы, что затрудняет установление их происхождения. Вторая — в том, что многие биомаркеры разлагаются при воздействии температуры выше 200оC, это и произошло для большинства древних земных пород. Тектоническая активность Марса значительно слабее, и есть надежда найти породы с образцами древних биомаркеров.
Многие молекулы могут иметь две формы, являющиеся зеркальным отражением одна другой. Невозможность совместить эти формы в пространстве называется хиральностью, а каждая из таких молекул — энантиомером (см. «Наука и жизнь» № 6, 2000 г., статья «Свет далеких звезд и жизнь на земле» и № 1, 2002 г., статья «Нобелевские премии 2001 года. Левая, правая где сторона»). Иллюстрацией несовместимости в пространстве служат левая и правая рука человека. На Земле все живые организмы используют один энантиомер, что называется гомохиральностью. Это свойство — самый надёжный признак биологического происхождения, поскольку синтетические органические вещества содержат оба энантиомера. Представляет большой интерес возможность протестировать марсианскую жизнь на гомохиральность.
Детальное описание иллюстраций
- «Сцепка» орбитального исследовательского комплекса Trace Gas Orbiter и спускаемого посадочного модуля «Скиапарелли». Показано расположение всех четырёх приборов TGO (Trace Gas Orbiter, орбитальный газовый индикатор). NOMAD (Nadir and Occultation for Mars Discovery) — европейский прибор для исследования атмосферы. CaSSIS (Colour Stereo Surface Imaging System) — система получения цветного стереоизображения. Иллюстрация: ESA/ATG medialab.
- Схема посадки модуля «Скиапарелли». Он войдёт в плотные слои атмосферы на высоте около 121 км со скоростью почти 21 000 км/ч. В течение трёх-четырёх минут он будет тормозить с помощью переднего щита, который начнёт медленно плавиться и испаряться, защищая от нагрева остальную часть корабля. После того как скорость на высоте 11 км уменьшится до 1700 км/ч, развернётся парашют. А через 40 секунд будет сброшен передний щит. Парашют затормозит модуль до 250 км/ч, после чего будет сброшен. На высоте около 2 м скорость снизят до нескольких метров в секунду посадочные двигатели на жидком топливе. Удар о поверхность смягчится специальной разрушаемой конструкцией. Весь спуск и посадка займут менее 6 минут. Рисунок: ESA/ATG medialab.
- Спектральные диапазоны, в которых работают все три спектрометра (NIR, MIR и TIRVIM), входящие в состав комплекса для изучения химии атмосферы ACS, и основные детектируемые ими вещества в каждом диапазоне. По горизонтали отложена длина волны излучения в микрометрах (10-6 м). Красные полоски показывают рабочий диапазон каждого из трёх спектрометров и режимы наблюдений: SO — во время солнечного затмения, N — надирный (вертикально вниз). T-профиль — профиль температуры, определяемый по углекислому газу на длине волны 15 мкм. Рисунок: Роскосмос/ЕSА/АЦС/ИКИ.
1.0
180.00
