Российский спектрометрический комплекс АЦС на борту марсианского орбитального зонда TGO (российско-европейский проект «ЭкзоМарс») зарегистрировал линии поглощения углекислого газа и озона, которые не наблюдались раньше ни на Земле, ни в космосе. Благодаря высокой чувствительности АЦС выяснилось, что углекислота и озон могут проявлять себе именно в том диапазоне инфракрасного спектра, где ожидается обнаружить сигнал от молекул метана. Этот газ — один из возможных биомаркеров, поэтому открытие может заставить пересмотреть и предыдущие публикации на тему измерений метана на Марсе, и методы его поиска. Результаты опубликованы в двух статьях, принятых к публикации в журнале Astronomy&Astrophysics и выложенных на сайте журнала в свободном доступе.

Спектрометрический комплекс АЦС (ACS — Atmospheric Chemistry Suite, «Комплекс для изучения химии атмосферы» Марса) был создан в ИКИ РАН и предназначен для детального исследования атмосферы Марса с помощью трех инфракрасных спектрометров. Приборы были сконструированы для поиска в первую очередь малых составляющих атмосферы. Это означает очень высокую чувствительность: высокое отношение сигнала к шуму и хорошее спектральное разрешение.

В исследовании использовались данные спектрометра MIR (средний ИК-диапазон 2.3–4.2 микрометра) в составе ACS, полученные за один марсианский год, то есть примерно с начала работы TGO на орбите вокруг Марса с весны 2018 года.

В этом участке ИК-спектра ожидалось найти полосы поглощения метана, расположенные в районе 3.3 микрометра. Метан — один из основных биомаркеров, которые могут свидетельствовать о возможной жизни на Марсе. В этой же области длин волн находятся полосы поглощения молекул воды и углекислого газа, последний из которых составляет основную часть марсианской атмосферы.

Спектрометр MIR наблюдает в режиме солнечных затмений: прибор «смотрит» на край планеты, где сквозь атмосферу Марса просвечивают солнечные лучи. Различные вещества в атмосфере поглощают часть солнечного излучения, и тогда в спектре появляются «провалы» — так называемые линии поглощения. Каждое вещество поглощает излучение с определёнными длинами волн, оставляя свой неповторимый «отпечаток пальцев» на спектра. Кроме этого, вещество с одной и той же химической формулой может иметь несколько полос поглощения, что свидетельствует о различии в строении молекул или разном изотопном составе (в последнем случае говорят про молекулы-изотопологи).

Как рассказывает Александр Трохимовский, сотрудник отдела физики планет ИКИ РАН, первый автор одной и соавтор второй из статей, всё началось с небольших уменьшений сигнала на отдельных длинах волн в спектрах, полученных прибором MIR. Некоторое время эти особенности не привлекали внимания, вернее, считались ошибкой, возникшей во время калибровки данных. Однако после более тщательной обработки эти «артефакты» не исчезли, напротив — обнаружилось около 30 слабых линий поглощения, положение которых не соответствовало ни одной из тех, что уже содержались в спектрометрических базах данных. Явление наблюдалось на малых (ниже 20 км) высотах над поверхностью Марса.

После теоретического анализа было высказано предположение, что речь идёт об открытии новой полосы поглощения основного изотополога углекислого газа (его молекула составлена из основных изотопов углерода и кислорода ¹²С и ¹⁶O), которая возникает в результате магнитно-дипольного перехода. До работы TGO эта полоса считалась запрещенной, не наблюдалась ни на Земле, ни в космосе, и отсутствует в спектроскопических базах данных.

Новая полоса поглощения углекислого газа, обнаруженная в марсианской атмосфере спектрометром MIR/ACS на борту аппарата TGO. Сверху: полученный спектр (черный) с наложенным модельным спектром, содержащим полосы поглощения углекислого газа и воды (голубой). Модель использует базу данных спектров HITRAN 2016. Внизу: разница между данными и моделью, благодаря которой детально видны полосы поглощения. Стрелочками показаны вычисленные положения полос поглощения (цвет относится к различным механизмам их возникновения). Иллюстрация (с) A. Trokhimovskiy et al. (2020)

В случае с озоном ситуация была несколько иной. Озона в атмосфере Марса мало, но впервые его открыли еще в экспериментах на аппаратах Mariner 7 и 9 (НАСА) в 1970-х гг., и с тех пор наблюдения велись в основном в ультрафиолете — этот метод позволяет измерять содержание озона на высотах больше 20 км над поверхностью. С помощью прибора MIR впервые удалось детектировать озон в инфракрасном диапазоне в районе 3 микрометров и на низких высотах над поверхностью.

«Обе полосы поглощения: и углекислоты, и озона — находятся именно в том диапазоне, где мы ожидали увидеть метан», — подчеркивает Кевин Олсен (Kevin Olsen), сотрудник факультета физики Оксфордского университета (Великобритания) и первый автор статьи, посвящённой озону. Вопрос о том, есть или нет метан в атмосфере Марса, до сих пор остаётся открытым: данные наблюдений орбитального аппарата Mars Express (ЕКА) и марсохода Curiosity (НАСА) в кратере Гейл свидетельствуют в его пользу, однако исключительно чувствительные спектрометры TGO миссии «ЭкзоМарс-2016» не подтверждают эти выводы.

Тот факт, что в этом же спектральном диапазоне находятся полосы поглощения углекислоты и озона, может заставить существенно пересмотреть методы поиска метана. Кроме этого, новые результаты помогают понять, как молекулы CO₂ и O₃ взаимодействуют друг с другом и с солнечным светом, а значит — прояснить химию процессов в атмосфере Марса. «Эти результаты существенно продвигают нас к лучшему пониманию Марса — к более высокому уровню точности и понимания того, что происходит в его атмосфере», — заключает Александр Трохимовский.

Пример спектра, полученного спектрометром среднего ИК-диапазона MIR/ACS на борту аппарата TGO. Вверху — модель спектра с полосами поглощения различных газов в данном диапазоне спектра. Наиболее проявлена линия поглощения водяного пара (голубой цвет). Наиболее сильный сигнал от озона O₃ (зеленый цвет) находится в правой части спектра, от углекислого газа CO₂ (серый цвет) — в левой части. Ожидаемое положение линий поглощения метана обозначено оранжевым пунктиром. Внизу — реальный спектр (голубой цвет) и наиболее подходящий модельный спектр (оранжевый). Иллюстрация (с) K. Olsen et al. (2020)

«Эти работы являются прямым результатом чрезвычайно успешного и продолжающегося сотрудничества между европейскими и российскими учеными в рамках космической программы «ЭкзоМарс», — подчеркивает Хокан Шведхем (Hakan Svedhem), научный руководитель миссии с европейской стороны. «Опубликованные статьи устанавливают новые стандарты для будущих наблюдений и миссий, и приближают нас к раскрытию загадок Красной планеты».

TGO продолжает работу. На следующем этапе проекта «ЭкзоМарс», который должен начаться в 2022 г. с запуском посадочной платформы «Казачок» и марсохода «Розалинд Франклин», исследования будут продолжены уже с поверхности Марса. Возможно, что «взгляд с двух сторон» поможет решить загадку метана и поисков возможных следов жизни на Красной планете.

***

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

Проект реализуется 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 (запуск 2022 г.) предусматривает доставку на поверхность Марса российской посадочной платформы «Казачок» с европейским автоматическим марсоходом «Розалинд Франклин» (Rosalind Franklin) на борту. Россия предоставляет для запуска ракету-носитель «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М».

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

- Новости проекта «ЭкзоМарс»