Обработка данных измерений российского нейтронного телескопа ФРЕНД на борту аппарата Trace Gas Orbiter российско-европейской миссии «ЭкзоМарс» показала необычайно высокое содержание воды на дне каньона Долина Маринера вблизи марсианского экватора.

Марсианский каньон Долина Маринера (Valles Marineris) был открыт космическим аппаратом НАСА Mariner-9 в 1971 году. Он простирается вдоль четверти длины экватора на расстояние около 4500 км и имеет глубину до 7 км.

Долина Маринера (Valles Marineris) по данным камеры HRSC на КА Mars Express (ЕКА). Цвета приближены к реальным, масштаб по вертикали увеличен в 4 раза. Площадь изображенного участка 630 000 кв. км, разрешение 100 м на пиксел. Красным овалом отмечено расположение района Candor Chasma (каньон Кандор) и ледника, обнаруженного телескопом ФРЕНД, в системе Долины Маринера. Изображение (с) ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum), CC BY-SA 3.0 IGO

Каньон образовался около 3.5 млрд лет назад, когда на Марсе возникли вулканы провинции Фарсида и вулканическая гора Олимп — самая высокая в Солнечной системе. Вызванные вулканами тектонические процессы привели к образованию огромного разлома, который под воздействием водной эрозии со временем превратился в каньон. Процесс его формирования, вероятно, завершился около 2 млрд лет назад.

Предполагается, что в ходе эволюции планеты каньон мог эпизодически наполняться водой. Сейчас на его склонах наблюдаются оползни и протоки, лишь косвенно свидетельствующие о продолжающихся гидрологических процессах. Поэтому этот каньон — одно из самых интересных мест для изучения истории Марса: его высокие стены содержат геологическую летопись планеты.

Неоднократно высказывались гипотезы о присутствии на его дне марсианских ледников, что делает изучение этого каньона, наряду с другими уникальными геологическими формациями на Марсе, одной из главных задач эксперимента с нейтронным телескопом ФРЕНД (от англ. Fine Resolution Epithermal Neutron Detector), который с 2016 г. работает на борту марсианского спутника Trace Gas Orbiter российско-европейской миссии «ЭкзоМарс» (ExoMars).

Находясь на марсианской орбите, ФРЕНД измеряет потоки нейтронов от поверхности планеты, возникающее в результате ее бомбардировки  галактическими космическими лучами. Так как энергетический спектр нейтронов зависит от концентрации атомов водорода в грунте, то его измерение позволяет довольно точно оценить концентрацию водорода в слое до глубины около 1 м.

Главная особенность телескопа ФРЕНД — это возможность картографирования Марса с высоким пространственным разрешением, порядка нескольких десятков километров. Благодаря этому российские ученые впервые смогли оценить содержание водорода в относительно небольших по размерам «оазисах» на поверхности Марса.

Наиболее интересным среди них оказался район Candor Chasma (каньон Кандор) в Долине Маринера.

Известно, что практически весь водород в марсианском веществе входит в молекулы воды. До настоящего времени предполагалось, что на современном Марсе основная масса воды в виде отложений льда присутствует только в приполярных областях. Оценки содержания воды в грунте на умеренных широтах и на экваторе соответствовали всего нескольким процентам по массе. Предполагалось что эта вода образует тонкие мономолекулярные слои на поверхности частиц реголита или входит в состав гидратированных минералов.

Согласно данным измерений телескопа ФРЕНД, содержание водорода в веществе района Кандор в пересчете на воду соответствует массовой доле в веществе около 40% (область С на рисунке). Это слишком много как для адсорбированной воды на поверхности частиц мерзлого реголита, так и для химически связанной воды в составе гидратированных минералов. Такая высокая массовая доля воды практически однозначно указывает на присутствие на дне каньона гигантского ледника из замерзшей воды.

Карта массовой доли воды на дне марсианского каньона Долина Маринера, построенная по данным измерений нейтронного излучения Марса нейтронным телескопом ФРЕНД на борту КА Trace Gas Orbiter (Роскосмос/ЕКА). Цветами обозначены оценки массовой доли воды в веществе поверхности до глубины около 1 м. Серым цветом показан рельеф по данным прибора MOLA на борту КА Mars Global Surveyor (НАСА). В центральной части каньона обнаружены три концентрические области с возрастающей к центру массовой долей воды в грунте: 40.3% в центральной области C, 12.4% в области B и 7% в пограничной области А. Изображение из статьи I. Mitrofanov et al. 2021

Площадь покрытой ледником поверхности составляет около 41 000 кв. км. Это более чем в два раза превышает площадь Ладожского озера — крупнейшего пресноводного водоема Европы.

Вывод о присутствии на дне каньона воды в виде ледника должен быть проверен в будущих марсианских экспедициях. В условиях современного Марса существование ледника вблизи марсианского экватора требует особых условий освещённости, давления и температуры. Такие условия могут иметь место только на дне глубоких ущелий.  Ледник мог образоваться вместе с самим каньоном еще 2 млрд лет тому назад и состоять из древней замерзшей воды молодого Марса. Также не исключено, что процесс формирования ледника продолжается и в настоящее время — эпизодические протоки грунтовой воды по склонам каньона могут скапливаться и замерзать на его дне.

В любом случае, изучение ледника на дне Долины Маринера в будущем может стать одним из основных направлений марсианских исследований. Во-первых, в древней мерзлой воде должны присутствовать растворенные в ней минеральные соли и сложные химические соединения, образовавшиеся в ранние эпохи эволюции Марса. Во-вторых, вода молодого Марса могла быть средой зарождения примитивной жизни, и ее реликтовые фрагменты могут сохраниться в леднике до настоящего времени.

Вне зависимости от происхождения воды и формы ее присутствия в грунте, открытие прибора ФРЕНД свидетельствует о наличии огромного водного ресурса непосредственно вблизи марсианского экватора. Его доступность для исследований и использования сможет оказать большое влияние на реализацию будущих автоматических и пилотируемых марсианских миссий.

***

Прибор ФРЕНД создан в Институте космических исследований РАН в рамках государственного контракта с Госкорпорацией «Роскосмос» для российско-европейской миссии «ЭкзоМарс». Обработка и научная интерпретация полученных в рамках эксперимента данных выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект «Исследование распределения содержания воды в приповерхностном грунте Марса по данным эксперимента ФРЕНД миссии ЭкзоМарс»).

Результат представленного исследования опубликован в журнале Icarus 19 ноября 2021 г.

***

Проект «ЭкзоМарс»/ExoMars — 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.