Внутри древнейшего марсианского камня нашли скрытый резервуар воды: физики просветили метеорит нейтронами

Ученые разработали метод, который позволяет увидеть распределение водорода и минералов внутри марсианских пород без разрушения самих образцов. Применив комбинацию нейтронного и рентгеновского сканирования к древнейшему марсианскому метеориту, исследователи обнаружили в нем неизвестный ранее резервуар связанной воды.

Этот же метод станет основой для изучения грунта, который сейчас собирает на Марсе ровер Perseverance.

Проблема сохранения: почему стандартная геология опасна для редких пород

Изучение истории Марса опирается на анализ минералов, которые контактировали с жидкой водой миллиарды лет назад. Когда вода взаимодействует с горными породами, химические элементы перераспределяются, образуя новые соединения — гидроксиды, глинистые минералы и гидратированные оксиды. В их кристаллической структуре навсегда остаются заперты атомы водорода и кислорода. По их расположению, возрасту и составу геологи определяют, каким был климат планеты, как долго на ее поверхности существовали водоемы и могла ли там возникнуть органическая жизнь.

Однако классические методы исследования твердых тел требуют разрушения изучаемого объекта. Чтобы узнать внутреннее строение и точный состав минералов, стандартная лаборатория выполняет несколько последовательных шагов:

1. Камень распиливают алмазными дисками на пластины.
2. Из пластин изготавливают шлифы — срезы толщиной всего в 30 микрометров, приклеенные к стеклу и отполированные до зеркального состояния.
3. Шлифы бомбардируют сфокусированными пучками ионов или электронов, что постепенно испаряет материал в точке анализа.
4. Для высокоточного измерения изотопного состава отдельные фрагменты породы полностью растворяют в смесях концентрированных кислот.

Этот подход оправдан, когда в распоряжении ученых есть неограниченный объем земной породы. Но в случае с внеземным веществом ситуация принципиально иная. Метеориты с Марса крайне редки, а их внутренняя структура сложна и неоднородна. Распиливая камень вслепую, исследователь рискует уничтожить уникальное микроскопическое включение или нарушить естественные границы между зернами минералов.

Кроме того, классический плоский срез показывает структуру только в двух измерениях. Он не дает ответа на вопрос, как именно отдельные минеральные зерна соединяются между собой в объеме и какова их реальная трехмерная форма. Геологии требовался надежный неразрушающий метод объемного анализа, способный находить легкие элементы — в первую очередь водород — внутри плотных каменистых пород.

Физика процесса: почему рентгеновского излучения недостаточно

Самый распространенный метод неразрушающего объемного анализа — рентгеновская компьютерная томография. Источник направляет на вращающийся образец рентгеновские лучи, детектор регистрирует степень их затухания, а компьютерная программа собирает из сотен плоских теневых снимков трехмерную цифровую модель.

Затухание рентгеновского излучения зависит от взаимодействия квантов света с электронами атомов. Чем тяжелее химический элемент (чем больше его порядковый номер в таблице Менделеева и плотнее его электронная оболочка), тем сильнее он ослабляет рентгеновский луч. По этой причине рентгеновская томография отлично различает тяжелые металлы, железо, титан или кальций, но практически не замечает водород. У атома водорода всего один электрон, поэтому рентгеновское излучение проходит сквозь водородные и гидроксильные соединения почти без задержки.

Чтобы напрямую зафиксировать водород, физики применили нейтронную томографию.

Нейтроны — это нейтральные элементарные частицы. Они не имеют электрического заряда и не взаимодействуют с электронными оболочками, пролетая прямо к атомным ядрам. Сила взаимодействия нейтрона с ядром зависит от короткодействующих ядерных сил, которые меняются от элемента к элементу без строгой зависимости от атомной массы.

Для тепловых нейтронов ядро водорода (одиночный протон) представляет собой сильнейшее препятствие. Массы нейтрона и протона практически одинаковы, поэтому при столкновении нейтрон эффективно отдает энергию и отклоняется в сторону. Это явление называется высоким сечением рассеяния. В то же время многие металлы, такие как титан, железо или кремний, задерживают нейтроны относительно слабо.

Так, рентгеновское и нейтронное сканирование дают противоположную и взаимодополняющую информацию:

• Рентген строит детальную карту плотности и показывает расположение тяжелых минералов.
• Нейтронный пучок указывает точные зоны концентрации водорода, воды и гидроксильных групп.

Чтобы замкнуть эту систему, авторы работы добавили третий метод — дифракционную рентгеновскую томографию. Когда узкий пучок синхротронного рентгена проходит через кристалл, он отклоняется на строго определенные углы, характерные для каждого конкретного минерала. Сканируя образец шаг за шагом, ученые получили возможность определять кристаллическую структуру вещества в каждом микроскопическом объеме.

Анализ метеорита NWA 7034: обнаружение скрытых кластов

Для проверки методики исследователи взяли пластину марсианского метеорита NWA 7034 размером 12x8x2 миллиметра. Этот метеорит, найденный в пустыне Сахара, неофициально называют «Черной красавицей».

NWA 7034 — единственный образец древней поверхностной коры Марса, доступный ученым на Земле. По своей структуре это брекчия: спрессованная смесь из обломков различных горных пород (кластов), сцементированных мелкозернистой массой из вулканического пепла и пыли (матрицей). Возраст отдельных зерен циркона в этом метеорите составляет 4,48 миллиарда лет. Порода сформировалась в эпоху, когда Марс был геологически активной планетой с плотной атмосферой и водой на поверхности.

Эксперименты провели на трех крупных европейских научных установках:

• Рентгеновское сканирование выполнили на европейском синхротроне ESRF в Гренобле (Франция).
• Нейтронные измерения провели на импульсном источнике SINQ в Институте Пауля Шеррера (Швейцария).
• Дифракционный анализ кристаллической решетки осуществили на синхротроне MAX IV в Лунде (Швеция).

Полученные массивы данных программно объединили в единую трехмерную модель. В результате исследователи смогли послойно изучить внутреннее строение образца с разрешением в единицы микрометров.

Ранее считалось, что вода в метеорите распределена равномерно по тонкозернистой матрице, а в кристаллическом виде содержится лишь в редких зернах апатита. Томография показала иную картину.

Водород оказался сконцентрирован в обособленных плотных зонах — обломках магматических пород, богатых железом и титаном. Внутри этих включений томографы зафиксировали зерна первичных магматических минералов: полевого шпата, титаномагнетита и ильменита. Однако вокруг них располагались зоны глубоких вторичных изменений.

В этих зонах магнетит под действием древней воды окислился до маггемита, а на поверхностях зерен образовались наноразмерные частицы оксигидроксидов железа — соединений типа гетита или ферригидрита, в кристаллическую формулу которых входят OH-группы.

Количественные расчеты показали:

1. Локальная концентрация связанных гидроксильных групп в этих кластах достигает 15% от их массы.
2. Сами железистые класты занимают всего 0,4% объема исследованной породы.
3. Несмотря на малый объем, они содержат 635 миллионных долей (ppm) воды в пересчете на массу всего метеорита. Это составляет 11% от общего водного запаса камня (который равен 6000 ppm).

Анализ доказал: на раннем Марсе гидротермальные растворы активно циркулировали по трещинам в первичных вулканических породах. Вступая в реакцию с оксидами железа и титана, вода перерабатывала их в гидроксиды, формируя компактные и стабильные минеральные резервуары.

Подтверждение с орбиты и данные марсохода Perseverance

Обнаруженные в метеорите минеральные структуры не являются уникальной локальной аномалией. Они полностью соответствуют данным, которые получает марсоход NASA Perseverance на поверхности Марса.

С 2021 года Perseverance работает на дне кратера Езеро. Он исследует два типа магматических пород:

• Формацию Сейтах (Séítah), состоящую из темных магматических кумулатов, богатых оливином.
• Формацию Мааз (Máaz), сложенную застывшими базальтовыми лавовыми потоками.

Бортовые приборы марсохода — рентгеновский спектрометр PIXL и рамановский лазерный спектрометр SHERLOC — проанализировали минеральный состав стенок микротрещин в этих породах. Приборы обнаружили в обеих формациях вторичные оксигидроксиды железа, развивающиеся по зернам магнетита и ильменита.

Керны, высверленные марсоходом (в частности, образцы Salette, Coulette, Robine, Malay, Hahonih и Astah), содержат ровно те же ассоциации гидратированных железистых минералов, что и класты из метеорита NWA 7034.

Это доказывает, что процесс связывания воды магматическими породами происходил в планетарном масштабе. Оксигидроксиды железа служили одним из главных приповерхностных хранилищ воды на раннем Марсе, удерживая ее в связанном химическом состоянии даже после того, как открытые водоемы на поверхности планеты исчезли.

Практическое применение: протокол для миссии Mars Sample Return

Главная практическая ценность работы заключается в создании готового аналитического протокола для программы Mars Sample Return (MSR). Цель этой совместной миссии NASA и ESA — доставить на Землю капсулы с образцами пород, которые собирает марсоход Perseverance.

Каждый отобранный керн запечатан внутри герметичной трубки из высокопрочного титанового сплава. Когда эти капсулы прибудут на Землю, перед исследователями возникнут строгие ограничения:

• Опасность земного загрязнения. Вскрытие трубки на воздухе приведет к контакту марсианского грунта с парами земной воды и земными микроорганизмами.
• Риск потери летучих веществ. При резком изменении давления и температуры несвязанные газы и слабосвязанная вода могут мгновенно испариться.
• Риск случайного повреждения. Механический распил непрозрачной титановой гильзы может разрезать ключевой контакт между слоями или разрушить хрупкие органические молекулы, если они там присутствуют.

Рентгеновское излучение не позволяет детально рассмотреть содержимое трубки: титановая оболочка толщиной в миллиметр сильно задерживает рентгеновские лучи, создавая помехи на изображении, а легкие элементы остаются невидимыми.

Нейтроны преодолевают стенки титанового контейнера почти без потерь интенсивности. Совместное использование нейтронной томографии и синхротронного излучения высокой энергии позволяет полностью оцифровать содержимое закрытой капсулы:

1. Определить точные трехмерные координаты всех внутренних трещин, полостей и минеральных зерен.
2. Построить карту концентрации водорода, зафиксировав водоносные минералы и углеродные соединения.
3. Провести фазовый анализ кристаллической решетки ключевых компонентов.

Имея на руках цифровую модель керна, ученые смогут заранее спланировать процедуру вскрытия контейнера. Исследователи смогут направить режущий инструмент в обход ценных минеральных включений, вырезать микроскопический фрагмент нужной зоны без деформации соседних участков и гарантированно сохранить летучие компоненты.

Разработанный метод переводит планетарную минералогию на принципиально новый уровень: ценнейшие внеземные образцы можно исчерпывающе исследовать, не разрушая их целостности и сохраняя структуру вещества в первозданном виде для будущих поколений исследователей.

Источник: Geophysical Research Letters