Пока на Земле развивалась сложная жизнь, на Марсе еще плескались озера: новое открытие марсохода «Чжужун» на Равнине Утопия

В планетологии долгое время преобладала концепция, согласно которой Марс окончательно потерял основную массу поверхностной жидкой воды около трех миллиардов лет назад. Считалось, что после этого периода планета вступила в эпоху глобальной засухи и похолодания, превратившись в сухую пустыню с крайне тонкой атмосферой.

Однако новый анализ данных, полученных китайским марсоходом «Чжужун» на Равнине Утопия, меняет эти представления. Исследование международной группы ученых под руководством Цзячэна Лю из Университета Гонконга, опубликованное в журнале Nature Astronomy, показывает: на Марсе существовали открытые водоемы с жидкой водой значительно позже — примерно 757 миллионов лет назад.

Общепринятая модель климатической истории Марса

Обратимся к принятой геохронологической шкале Марса. Историю планеты принято делить на три основных периода:

1. Нойский период (4,1-3,7 миллиарда лет назад). Время высокой геологической активности. Планета обладала плотной атмосферой и собственным магнитным полем. На поверхности существовали реки, озера и, возможно, океан в северном полушарии.
2. Геспериский период (3,7-3,0 миллиарда лет назад). Период угасания магнитного поля. Солнечный ветер постепенно уносил легкие газы из атмосферы, давление падало. Вулканическая активность оставалась высокой, но жидкая вода появлялась на поверхности лишь эпизодически — в виде катастрофических паводков.
3. Амазонийский период (от 3,0 миллиардов лет назад до настоящего времени). Эпоха полного замерзания и засухи. Атмосферное давление упало ниже 1% от земного, температура опустилась до средних значений минус 60 градусов Цельсия. Вода могла существовать только в виде льда в полярных шапках и глубоких подповерхностных пластах, либо в виде пара в атмосфере.

Согласно этой классификации, за последние три миллиарда лет на Марсе не могло быть условий для длительного существования жидкой воды на поверхности. Любые выходы воды должны были мгновенно закипать из-за низкого давления и замерзать из-за низкой температуры.

Миссия «Чжужун» и выбор Равнины Утопия

В мае 2021 года в рамках китайской программы «Тяньвэнь-1» на поверхность Марса опустился ровер «Чжужун». Местом посадки была выбрана Равнина Утопия — крупнейший ударный бассейн в северном полушарии планеты диаметром более 3300 километров.

Выбор этой локации обусловлен геологическим контекстом. Равнина Утопия представляет собой низину, где в древние эпохи могли скапливаться осадочные породы и водные массы. Ученые предполагали, что на глубине нескольких метров там до сих пор сохраняются залежи льда.

Марсоход проработал в активном режиме 93 марсианских дня (сола), пройдя около двух километров. В мае 2022 года ровер был переведен в режим спячки из-за наступления марсианской зимы и сильной пылевой бури, снизившей освещенность солнечных батарей.

Несмотря на короткий срок активной работы, бортовые приборы марсохода собрали большой объем данных. В научный комплекс «Чжужуна» входили:

• Мультиспектральная камера для съемки поверхности с высоким разрешением;
• Прибор лазерно-искровой спектрометрии для определения химического состава пород на расстоянии;
• Инфракрасный спектрометр для анализа минерального состава;
• Радар прямого зондирования для изучения структуры грунта на глубину до ста метров.

В процессе движения ровер зафиксировал слоистые светлые породы, проступавшие из-под песчаных дюн. Первичный анализ показал присутствие в них молекул воды, связанной с минералами, но для определения точного минерального состава потребовалось дополнительное исследование.

Обнаружение селенита и его минералогические особенности

Команда Цзячэна Лю провела детальную обработку спектральных данных и микроснимков поверхностного слоя этих пород. Ученых интересовала кристаллическая структура минералов, скрытых под песчаным наносом.

Исследование показало, что породы содержат кристаллы двух характерных форм:

• Пластинчатые структуры с изгибом;
• Ветвистые структуры, развивающиеся из единого центра.

Сопоставив форму кристаллов и данные инфракрасной спектрометрии, авторы работы установили, что этот минерал — селенит. Это прозрачная крупнокристаллическая разновидность гипса, то есть дигидрата сульфата кальция (CaSO₄·2H₂O).

Обнаружение именно селенита имеет принципиальное значение для геологии. Гипс может образовываться в различных условиях, например, при выветривании пород или взаимодействии вулканических газов с сухой базовой породой. Однако селенит с такой конкретной формой кристаллов формируется исключительно в жидкой среде. Кристаллы селенита растут при медленном осаждении солей из стоячего водного раствора, насыщенного сульфатами и кальцием.

На основе толщины минерального слоя исследователи рассчитали объем воды, необходимый для его образования. Для выпадения такого количества селенита на Равнине Утопия должен был существовать водоем глубиной от 6,25 до 25 метров.

Физическая модель устойчивости водоема

Главный физический парадокс открытия заключается в том, как жидкая вода могла долгое время находиться на поверхности Марса в Амазонийский период, когда климат уже был суровым и холодным.

Авторы исследования предложили физико-химическую модель, описывающую цикл жизни этого водоема.

Шаг 1. Поступление воды

На глубине в несколько километров под Равниной Утопия сохранялись залежи мерзлоты, содержащие высокую концентрацию минеральных солей. Локальный подповерхностный нагрев — вероятнее всего, за счет угасающей вулканической или геотермальной активности — растопил этот лед. Соленая вода под избыточным давлением поднялась по трещинам в корой породе и излилась на поверхность, сформировав локальное озеро в естественной низине.

Шаг 2. Соли как антифриз

Чистая вода замерзает при температуре 0 °C. Однако присутствие растворенных солей (сульфатов кальция, магния и натрия) существенно понижает температуру замерзания раствора. Соленая вода оставалась жидкой при отрицательных температурах окружающей среды.

Шаг 3. Образование защитной ледяной корки

При контакте с холодной атмосферой верхний слой озера начал быстро замерзать. На поверхности образовалась сплошная корка чистая льда.

Этот ледяной покров сыграл ключевую роль в физике процесса:

• Защита от испарения. В условиях низкого атмосферного давления Марса открытая вода быстро закипает и испаряется. Сплошной слой льда создал механический барьер, удержавший давление под собой и остановивший испарение.
• Теплоизоляция. Лед обладает низкой теплопроводностью. Поверхностный слой замедлил охлаждение основной массы воды под ним, отдающей остаточное геотермальное тепло.

Шаг 4. Концентрация солей и рост кристаллов

Водоем замерзал медленно, сверху вниз. При замерзании воды в лед переходит преимущественно чистая H₂O, а растворенные соли вытесняются в оставшийся жидкий объем под ледяным покровом.

В результате концентрация солей в жидкой воде непрерывно росла. Когда раствор достиг состояния перенасыщения сульфатом кальция, на дне водоема начался процесс кристаллизации. Из раствора стали выпадать и расти кристаллы селенита, сформировавшие минеральный слой, который спустя 750 миллионов лет зафиксировал марсоход «Чжужун».

Метод датировки и пересмотр хронологии

Для определения возраста обнаруженных минералов авторы исследования использовали метод подсчета плотности метеоритных кратеров. Это стандартный инструмент геолокации в планетологии, применяемый для оценки возраста поверхностей безатмосферных или слабоатмосферных тел.

Принцип метода базируется на статистике:

1. Чем дольше поверхность планеты остается неизменной (не перекрывается лавой, осадками или водой), тем больше метеоритных кратеров на ней накапливается.
2. Подсчитывая количество кратеров разного диаметра на единицу площади и сопоставляя эти данные с известной интенсивностью метеоритной бомбардировки в Солнечной системе, ученые вычисляют возраст поверхности.

Для участка Равнины Утопия, где работал «Чжужун», подсчет кратеров дал возраст около 757 миллионов лет (с допустимой погрешностью).

В земной хронологии это соответствует неопротерозою — эпохе, когда на Земле уже существовала многоклеточная жизнь. В марсианской хронологии это глубокий Амазонийский период, который ранее считался абсолютно сухим.

Таким образом, временной интервал, в течение которого на Марсе могли происходить гидрологические процессы, увеличился более чем на два миллиарда лет.

Научные последствия и значение для будущих миссий

Результаты исследования группы Цзячэна Лю влияют на несколько направлений планетологии и астробиологии.

Сохранение образцов марсианской воды

При быстром росте кристаллов селенита в их структуре образуются микроскопические полости — так называемые флюидные включения. В них задерживаются микрокапли того самого водного раствора, из которого вырастал кристалл.

Если кристаллы селенита на Равнине Утопия сохранили такие включения, внутри них находится изолированный образец марсианской воды Амазонийской эры. Эти микрокапли защищены минеральной оболочкой от жесткой солнечной и космической радиации, разрушающей органические соединения на поверхности планеты.

Моделирование климата

Существование жидкой воды 757 миллионов лет назад указывает на то, что климатические модели Марса требуют серьезной доработки. Глобальный климат планеты в этот период действительно мог быть холодным и сухим, но локальные геотермальные явления создавали изолированные зоны с совершенно иными условиями. Такие зоны могли возникать неоднократно в разных регионах планеты при наличии подповерхностных источников тепла.

Изменение стратегии поиска следов жизни

До сих пор поиск потенциальных следов марсианской жизни или сложных органических молекул ориентировался на породы Нойского периода возрастом более 3,7 миллиарда лет. Однако эти породы за прошедшие миллиарды лет подверглись сильной радиационной и эрозионной трансформации.

Наличие значительно более молодых осадочных минералов на Равнине Утопия предоставляет астробиологам новый объект для исследований. Для получения доступа к образцам древней воды и связанных с ней химических соединений не требуется разработка сложных технологий глубокого бурения. Достаточно доставки на Землю или анализа на месте образцов поверхностных гипсовых пород.

Равнина Утопия теперь рассматривается как один из наиболее перспективных районов для планирования будущих автоматических и пилотируемых миссий на Марс, нацеленных на забор и возврат грунта.

Источник: Nature Astronomy