К Марсу за щепоткой пыли: зачем ученым грунт Фобоса

Новости о Марсе обычно посвящены поискам воды, работе марсоходов и планам когда-нибудь отправить людей на Красную планету. На этом фоне ее спутники редко оказываются в центре внимания: небольшие темные тела без атмосферы, покрытые кратерами, не выглядят особенно впечатляюще. Однако они хранят важную загадку: ученые до сих пор не знают, как именно у Марса появились Фобос и Деймос.

Японское агентство JAXA намерено найти ответ с помощью миссии MMX — Martian Moons eXploration. Согласно плану, аппарат должен отправиться с Земли 20 октября 2026 года по японскому времени и собрать грунт Фобоса. Если все пройдет успешно, капсула с образцами вернется на Землю в 2031 году. Это будет первая доставка вещества со спутника Марса. Разберемся, зачем нужна такая экспедиция и что исследователи надеются узнать из привезенных пород.

Как у Марса появились два спутника

Согласно одной из гипотез, когда-то неподалеку от Марса пролетали астероиды, которые планета захватила на свою орбиту. В пользу этой версии говорят темная поверхность спутников и сходство их отраженного света со спектрами некоторых углеродистых малых тел. Однако одного притяжения для захвата недостаточно: если не замедлить астероид, он продолжит полет. В ранней Солнечной системе источником торможения мог быть, например, газ вокруг молодого Марса. Но эта гипотеза не объясняет, почему орбиты обоих спутников почти круговые и расположены примерно в плоскости экватора: у захваченных астероидов скорее ожидались бы вытянутые и наклоненные траектории.

По другой версии, в далеком прошлом с Марсом столкнулось крупное небесное тело. Удар выбросил в космос вещество обоих участников столкновения, и вокруг планеты образовался диск обломков. Со временем из него могли сформироваться Фобос и Деймос. Такая модель хорошо согласуется с почти круговыми околoэкваториальными орбитами спутников. Однако остается вопрос: основная часть выброшенного вещества должна была находиться ближе к Марсу, тогда как Деймос расположен сравнительно далеко. Ученым предстоит выяснить, как на таком расстоянии могло собраться достаточно материала для его образования.

Существует и третий вариант: астероид не столкнулся с поверхностью, а разрушился при близком сближении с планетой. В 2024 году исследователи проверили эту гипотезу с помощью компьютерной модели. В расчетах астероид проходил настолько близко к Марсу, что разница сил притяжения на его ближней и дальней сторонах разрывала его на части. Некоторые обломки оставались на орбите, сталкивались и продолжали дробиться. Постепенно они могли сформировать диск, вещества которого при определенных условиях хватило бы для образования двух небольших спутников.

Чтобы проверить эти версии, важно изучить оба спутника. MMX займется прежде всего Фобосом, но доберется и до Деймоса. Посадка на него не предусмотрена: аппарат исследует его во время пролетов. Полученные снимки и измерения позволят сравнить состав поверхности двух марсианских лун.

Зачем исследовать Фобос?

По сравнению со многими спутниками планет Солнечной системы Фобос невелик: его размеры составляют всего 27 × 22 × 18 километров. Из-за малой массы он не приобрел шарообразную форму и скорее напоминает неровную картофелину. Значительную часть его видимой поверхности занимает кратер Стикни диаметром около девяти километров. Рядом заметны борозды и следы других, менее крупных столкновений.

Снимки позволяют рассмотреть кратеры и борозды, приблизительно оценить состав и плотность спутника. Но установить происхождение Фобоса значительно труднее. Дополнительные сведения дает спектр отраженного света: по нему исследователи судят о минералах на поверхности. Однако за миллиарды лет солнечное излучение и удары микрометеоритов изменили свойства верхнего слоя, а с местным грунтом смешались обломки других небесных тел. Чтобы надежнее проверить гипотезы о происхождении спутника, ученым нужны образцы, доставленные на Землю.

Часть исследований MMX проведет непосредственно у спутника с помощью бортовых приборов. Но взять с собой все необходимое оборудование невозможно: оно должно выдержать запуск и длительный перелет, а затем работать при ограниченном энергоснабжении. В земных лабораториях возможностей больше: одну и ту же частицу можно изучить разными методами и при необходимости проанализировать повторно. Кроме того, часть грунта сохранят для будущих исследований, когда появятся новые инструменты. Отправляться за образцами еще раз для этого не потребуется.

Как пройдет исследование?

Ожидается, что MMX прибудет к Марсу в 2027 году и начнет сближение с Фобосом. Для наблюдений аппарат выведут на квазиспутниковую орбиту: он будет двигаться вокруг планеты, оставаясь рядом с ее небольшой луной. Со стороны такая траектория напоминает полет вокруг спутника, хотя движение зонда определяется главным образом притяжением Марса. Она позволит долго изучать поверхность Фобоса с близкого расстояния. До спуска аппарату предстоит составить подробную карту и определить площадки, пригодные для безопасной посадки и отбора грунта.

Камеры снимут рельеф, а лазерный высотомер определит расстояние до поверхности и поможет уточнить высоту отдельных участков. Французский спектрометр MIRS проанализирует отраженное инфракрасное излучение, чтобы выявить присутствующие на поверхности минералы. Американский прибор MEGANE дополнит эти данные, оценив содержание ряда химических элементов в грунте по гамма-излучению и нейтронам. Вместе результаты наблюдений помогут выбрать место, где аппарат сможет безопасно сесть и собрать материал для изучения происхождения Фобоса.

Первым на поверхность спустится небольшой франко-германский ровер Idefix. Его отделят от MMX на высоте нескольких десятков метров, после чего он свободно упадет на Фобос: при слабой местной гравитации такой способ посадки вполне осуществим. Коснувшись поверхности, ровер может несколько раз отскочить. Когда он остановится, ему предстоит самостоятельно принять правильное положение и раскрыть солнечные панели. Затем он изучит поведение грунта под колесами, скорость его нагрева и остывания, а также минералы на поверхности. Эти данные помогут подготовить посадку основного аппарата и работу пробоотборников. Разведку планируют начать на рубеже 2028–2029 годов; она продлится около ста дней.

Как собрать грунт и удержаться на поверхности

Покинуть Фобос относительно легко, а вот остаться на его поверхности во время работы гораздо сложнее. Гравитация здесь примерно в 1 700 раз слабее земной, поэтому даже тяжелый аппарат способен оторваться от грунта. Неудачное движение или удар о поверхность могут отправить его в полет без помощи двигателей. Кроме того, встретив сопротивление грунта, пробоотборник рискует приподнять или наклонить зонд вместо того, чтобы углубиться. Поэтому при посадке и сборе образцов необходимо тщательно контролировать движение механизмов.

Для отбора грунта MMX оснащен устройством C-SMP — пробоотборником с полой трубкой на конце манипулятора. Он предназначен для захвата материала с глубины не менее двух сантиметров. Это позволит добраться до частиц, которые меньше подвергались воздействию солнечного ветра и излучения.

Второй пробоотборник, P-SMP, действует по другому принципу: он направляет на поверхность струю сжатого азота, которая поднимает мелкие частицы и переносит их в контейнер. Ничего вдавливать в грунт при этом не требуется, поэтому устройство пригодится, если поверхность окажется слишком твердой для трубки C-SMP. Правда, таким способом можно собрать только материал из верхнего слоя. Зато два независимых метода повышают шансы миссии привезти образцы.

План миссии предусматривает две посадки на разных участках продолжительностью примерно два-три часа каждая. Минимальная цель — доставить на Землю десять граммов грунта. Для лабораторного анализа важно не только количество материала, но и точное место происхождения каждой порции. Поэтому снимки и измерения вблизи точек посадки станут важной частью исследования. Сравнение двух участков поможет оценить, насколько местные особенности влияют на выводы о составе спутника в целом.

Что произойдет после возвращения?

На Земле грунт сначала изучат под микроскопом и отберут частицы для детального анализа. Исследователей интересуют минералы, их структура и химический состав. Особое внимание они уделят соотношениям изотопов кислорода, хрома и титана. Атомы одного элемента могут содержать разное число нейтронов: например, у кислорода есть более легкие и более тяжелые разновидности. Их пропорции различаются в марсианских породах и разных группах метеоритов, поэтому могут указать на происхождение вещества. Сравнение нескольких таких показателей поможет выяснить, ближе ли грунт Фобоса к материалу астероидов или к породам Марса.

Затем ученые попытаются восстановить историю отдельных частиц. Сильный нагрев меняет структуру минералов, а расплавленная порода после остывания может превратиться в стекло. Подобные следы помогут проверить гипотезу о крупном столкновении. Чтобы определить время произошедшего, исследователи применят радиоизотопные методы: некоторые элементы со временем распадаются и превращаются в другие с известной скоростью. Их соотношение позволяет рассчитать, сколько времени прошло с образования минерала или его последнего сильного нагрева. Однако полученная дата не обязательно будет возрастом Фобоса: зерно могло возникнуть раньше и лишь затем войти в состав спутника. Поэтому результат сопоставят со строением образца, чтобы понять, какому событию он соответствует.

Если выяснится, что Фобос прежде был астероидом, исследователи попытаются установить, где он сформировался до встречи с Марсом. Подсказки они будут искать в органических соединениях и минералах, которые могли измениться при взаимодействии с водой. Полученные результаты сравнят с образцами других малых тел, в том числе астероида Рюгу, грунт которого японская миссия уже доставила на Землю. Это поможет проверить гипотезу о том, что будущий спутник возник в более холодной области Солнечной системы, а затем переместился ближе к Солнцу. Такие данные важны и для понимания истории Земли: астероиды могли принести на молодую планету часть воды и веществ, участвовавших в формировании атмосферы.

В грунте Фобоса ученые также надеются обнаружить частицы самого Марса. При падении астероидов на планету часть выбитых пород может оказаться в космосе и осесть на соседнем спутнике, со временем смешавшись с местной пылью. Эти обломки могли прибыть из разных районов Марса и в разные эпохи, поэтому среди образцов способны оказаться породы с совершенно непохожей историей. Если удастся определить их происхождение и возраст, исследователи узнают больше об изменениях марсианской поверхности.

Согласно одной из оценок, в десяти граммах грунта могут присутствовать несколько десятков марсианских зерен. Это приблизительный расчет: результат зависит от предполагаемых размеров частиц, степени их перемешивания и изменений орбиты Фобоса. Но значение имеет не только количество. Чтобы достичь близкого спутника, обломкам требуется меньший разгон, чем для полета к Земле. Поэтому среди них могут сохраниться более хрупкие и менее поврежденные породы, которые редко попадают к нам в виде метеоритов. Правда, сначала такие частицы нужно обнаружить среди местного материала и убедиться, что они подходят для подробного анализа.

Особенно тщательно исследователи будут проверять возможные находки органических соединений. Сами по себе они не свидетельствуют о существовании жизни и могут оказаться загрязнениями земного происхождения. Поэтому чистоту оборудования контролируют уже на этапе сборки, а образцы использованных материалов сохраняют для последующего сравнения с подозрительными примесями. После посадки в Австралии капсулу отправят в японский центр ISAS, где ее содержимое извлекут и опишут. Лишь после этого станет ясно, что именно удалось доставить и какие исследования можно провести. Возвращение MMX завершит космический этап миссии, но работа ученых с полученными образцами продолжится еще много лет.

 

Источник