Марс не всегда был пыльной пустыней. Когда-то по его поверхности текла жидкая вода — об этом говорят данные орбитальных аппаратов и марсоходов. Сегодня влага сохранилась главным образом в виде химически связанного водорода, запертого в минералах горных пород. Но как распределены эти водородсодержащие минералы, сколько им лет и где именно они залегают — до сих пор оставалось неясным. А ведь именно такие детали помогают понять, насколько пригодной для жизни была ранняя марсианская среда.

Международная команда исследователей из Дании, Швеции и Швейцарии решила поискать ответы не на самом Марсе, а в куске марсианской породы, который миллионы лет назад выбросило с Красной планеты и в итоге упал на Землю. Речь о метеорите NWA 7034, более известном как «Чёрная красавица». Жидкой воды в нём, разумеется, нет, но когда вода взаимодействует с горной породой, остаются химические следы — изменённые соединения железа или гидратированные минералы. Их-то учёные и хотели разглядеть внутри образца.

Нейтроны видят то, что скрыто от рентгена

Чтобы заглянуть внутрь метеорита, исследователи объединили два взаимодополняющих метода визуализации: нейтронную и рентгеновскую томографию. Нейтронные измерения провели на швейцарском источнике расщеплённых нейтронов SINQ в Институте Пауля Шеррера. «Нейтроны особенно чувствительны к водороду, — объясняет учёный PSI Дэвид Маннес, выполнявший нейтронную томографию вместе с Андерсом Кестнером. — В сочетании с рентгеновской томографией мы смогли не только обнаружить крошечные гидратированные минералы, но и впервые визуализировать более крупные, макроскопические скопления водорода».

Водородсодержащие сигнатуры нашлись в очень древней марсианской породе и образуют чётко различимые макроскопические области. Это указывает на то, что вода вступала в реакцию с ещё молодой марсианской корой на раннем этапе истории планеты. Результаты опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.

Осколок Красной планеты весом 320 граммов

«Чёрная красавица» — это кусок Марса, выброшенный в космос ударом метеорита и после долгого путешествия упавший в марокканской Сахаре. Фрагмент массой около 320 граммов содержит материал возрастом до 4,48 миллиарда лет, что делает его одним из древнейших известных образцов марсианской коры.

Этот coveted камень уже не раз изучали. Первую оценку содержания воды получили, нагревая метеорит в контролируемых условиях и анализируя выделившуюся воду. В более поздних работах исследователи рассматривали под микроскопом срезы толщиной в микрометры, чтобы детально изучить минералогию «Чёрной красавицы». Все эти исследования приходили к схожему выводу: метеорит полон воды — или по крайней мере полон её следов.

Но у прежних методов были ограничения. Они давали либо только количественную информацию об общем содержании воды, либо ограничивались маленькими локальными участками породы. Как именно гидратированные минералы распределены по всему метеориту, оставалось неизвестным.

Два метода — одна полная картина

С этого и началась новая работа: впервые международная команда объединила нейтронную и рентгеновскую томографию, чтобы исследовать цельный фрагмент метеорита в трёх измерениях, не разрушая его. «Кусочек „Чёрной красавицы“ размером 12 на 8 на 2 миллиметра прислали из Копенгагена в Швейцарию почтовой службой, — с улыбкой вспоминает Андерс Кестнер. — Когда он прибыл, мы поместили образец в пучок и реконструировали его внутреннюю структуру с помощью нейтронов».

Рентгеновские снимки, знакомые нам по больницам, работают как отбрасываемая тень: излучение проходит сквозь объект, ослабляется или рассеивается в зависимости от материала, выходит с другой стороны и регистрируется детектором — получается двумерное изображение внутренней структуры. Томография идёт дальше: вращая объект на 360 градусов в пучке, можно полностью восстановить его внутреннее строение в трёх измерениях, не повреждая образец.

Рентген особенно хорошо показывает распределение тяжёлых элементов — кремния или железа. А вот лёгкие элементы, такие как водород, в плотной породе почти не дают контраста. «Когда мы посмотрели на рентгеновскую томограмму метеорита, то уже видели множество крупных „пустот“ в плотной породе, — рассказывает Андерс Кестнер. — И только нейтронная томография позволила окончательно показать, что эти пустоты не пусты: они содержат водородсодержащий материал».

Капсула времени из марсианской коры

Чтобы понять эти водородные сигнатуры, нужно поместить их в геологический контекст. «Чёрная красавица» — не простой однородный кусок камня, а пёстрое лоскутное одеяло из очень древних фрагментов коры. «В геологии мы называем это брекчией, — объясняет геолог-марсианин Катрин Вульф Николайсен из Копенгагенского университета, участвовавшая в исследовании как соавтор и эксперт по Марсу. — Это структура, состоящая из обломков разных геологических периодов, спёкшихся вместе, как каменный бетон».

Сложный состав «Чёрной красавицы» — результат множества мощных ударных событий на Красной планете. «Такие события впрыскивают в систему огромное количество энергии, — говорит Вульф. — Порода из разных слоёв перемешивается, раскалывается, частично плавится и снова смешивается». Позднейший удар придал брекчии достаточно энергии, чтобы преодолеть гравитационное поле Марса и отправить её в путешествие к Земле.

Метеорит NWA 7034, упавший в марокканской Сахаре, оказался геологической капсулой времени: в нём сохранились фрагменты пород разных эпох марсианской коры, включая древнейшие из известных нам образцов с Красной планеты. Именно в этих древних фрагментах команда под руководством геолога Эстрид Буль Навер обнаружила нечто неожиданное — воду, но не рассеянную равномерно, а сконцентрированную в макроскопических «горячих точках».

«С помощью двух наших аналитических методов мы установили, что гидратированные следы распределены по образцу неоднородно, а сосредоточены в виде концентрированных макроскопических участков, — поясняет геолог. — Эти участки встречаются в основном в древних обломках пород, и на них приходится около 11 процентов общего содержания воды в исследованном образце».

Такая картина указывает на то, что вода присутствовала на Марсе уже на самых ранних этапах его истории. Высокоэнергетические геологические процессы — вулканическая активность или мощные удары — могли привести к реакции воды с горными породами и её сохранению в форме гидратированных минералов. «Подобные процессы мы наблюдаем и на Земле», — добавляет Вульф.

Исследование не только проливает свет на раннюю историю Марса, но и открывает новую методическую возможность: впервые водород в марсианской породе удалось картировать в трёх измерениях без разрушения образца. Исследованный фрагмент имел размеры всего 12 x 8 x 2 миллиметра, однако тот же метод применим и к более крупным образцам. В будущем, когда на Землю доставят породы с Марса или других небесных тел, такая неразрушающая томография может сыграть ключевую роль.

«Мы готовы, — заявляет Дэвид Маннес. — В PSI в нашем распоряжении вся необходимая инфраструктура: от нейтронной томографии на Швейцарском источнике нейтронов SINQ до рентгеновской томографии высокого разрешения на Швейцарском источнике света SLS».

Кстати, эта работа перекликается с недавним открытием, когда в старых данных марсохода Spirit удалось рассмотреть следы гематита — минерала, который образуется только в воде: Марсоход 20 лет скрывал следы воды в грунте — их нашли в старых данных. Тогда выяснилось, что влажное прошлое Марса было куда масштабнее, чем предполагали. Теперь же метеорит NWA 7034 даёт прямое свидетельство того, что вода взаимодействовала с корой планеты ещё в древнейшие времена.

Вода, которой сегодня нет, оставляет следы. Нейтронная и рентгеновская томография позволяют их увидеть. Международная группа учёных с участием Института Пауля Шеррера (PSI) впервые визуализировала крупные водородсодержащие области внутри марсианского метеорита NWA 7034 — знаменитого «Black Beauty». Результаты указывают на ранние реакции воды с корой Марса.

Красная планета не всегда была пыльной пустыней. Данные зондов и марсоходов говорят: когда-то по поверхности текли реки. Сегодня вода сохранилась главным образом как химически связанный водород в минералах. Но сколько лет этим минералам, где именно они залегают и в какой концентрации — до сих пор понятно лишь отчасти. А ведь такие детали критически важны для понимания ранней среды Марса и его потенциальной обитаемости в древности.

Как заглянуть внутрь «Чёрной красавицы»

Исследователи из Дании, Швеции и Швейцарии искали воду не на самом Марсе, а в куске марсианской породы, выброшенном в космос миллионы лет назад. Метеорит NWA 7034, известный как «Black Beauty», не содержит жидкой воды. Но когда вода взаимодействует с породой, она оставляет химические отпечатки: изменённые соединения железа и гидратированные минералы. Именно такие следы команда хотела обнаружить в глубине образца.

Для этого объединили два взаимодополняющих метода визуализации — нейтронную и рентгеновскую томографию. Нейтронные измерения проводились на Швейцарском источнике нейтронов SINQ в PSI. «Нейтроны особенно чувствительны к водороду, — объясняет учёный PSI Дэвид Маннес, который вместе с Андерсом Кестнером выполнял нейтронную томографию. — В сочетании с рентгеновской томографией мы смогли не только обнаружить крошечные гидратированные минералы, но и впервые увидеть более крупные, макроскопические скопления водорода».

Водородные сигнатуры находятся в очень древней марсианской породе и образуют чётко очерченные макроскопические области. Отсюда вывод: вода реагировала с молодой корой Марса уже на раннем этапе. Статья опубликована в журнале Geophysical Research Letters.

Взгляд нейтронами сквозь камень

«Black Beauty» — осколок Марса, выбитый с поверхности древним ударом астероида. После долгого путешествия он упал в марокканской Сахаре. Образец весом около 320 граммов содержит материал возрастом до 4,48 миллиарда лет и относится к старейшим известным фрагментам марсианской коры.

Метеорит изучали и раньше. Первую оценку содержания воды получили, контролируемо нагревая камень и анализируя выделившийся пар. Позже исследователи рассматривали микрометровые шлифы под микроскопом, чтобы детально описать минералогию. Все работы сходились в одном: «Black Beauty» полон воды — по крайней мере, её следов.

Проблема прежних методов: они давали либо общее количество воды, либо картину лишь крошечных локальных участков. Пространственное распределение гидратированных минералов по всему метеориту оставалось неизвестным.

Новая работа закрывает этот пробел. Международная команда впервые совместила нейтронную и рентгеновскую томографию, чтобы просветить цельный фрагмент метеорита в трёх измерениях и без разрушения. «Кусочек „Black Beauty“ размером 12 × 8 × 2 миллиметра приехал к нам из Копенгагена обычной почтой, — с улыбкой вспоминает Андерс Кестнер. — Мы поместили образец на пучок и с помощью нейтронов реконструировали его внутреннюю структуру».

Два метода — одна картина

Рентген знаком всем по больницам. Принцип похож на отбрасывание тени: излучение входит в объект, по-разному ослабляется или рассеивается материалом, выходит с другой стороны и регистрируется детектором. Так получается двумерное изображение недр. Томография идёт дальше: объект вращают в пучке на 360 градусов, что позволяет полностью воссоздать его внутреннее устройство в 3D без разрушения.

Рентгеновские лучи отлично показывают распределение тяжёлых элементов — кремния, железа. А вот лёгкий водород в плотной породе почти не даёт контраста. «Когда мы посмотрели на рентгеновскую томографию метеорита, то увидели множество крупных „дыр“ в плотной породе, — рассказывает Андерс Кестнер. — Только нейтронная томография показала: эти полости не пустые, они заполнены водородсодержащим материалом».

Капсула времени из коры Марса

Чтобы понять эти водородные сигналы, нужен геологический контекст. «Black Beauty» — не однородный камень, а пёстрое лоскутное одеяло из очень древних обломков коры. «В геологии мы называем это брекчией, — поясняет марсианский геолог Катрин Вульф Николайсен из Копенгагенского университета, соавтор исследования. — Конструкция из фрагментов разных геологических эпох, сцементированных, словно каменным бетоном».

Сложный состав метеорита — результат нескольких мощных ударов по Красной планете. Каждый удар дробил породу, перемешивал обломки и создавал новые минеральные ассоциации. Именно в таких брекчиях вода может сохраняться в виде гидратированных фаз, законсервированных на миллиарды лет.

Международная команда с участием Института Пауля Шеррера (PSI) в швейцарском Вюренлингене впервые визуализировала макроскопические водородсодержащие области внутри марсианского метеорита. Работа опубликована в рамках коллаборации учёных из Дании, Швеции и Швейцарии и, по сообщению федеральных властей, даёт прямые указания на ранние реакции воды с горными породами Марса.

Красная планета не всегда была пыльной пустыней, какой мы её видим сегодня. Данные космических аппаратов и марсоходов давно намекали, что когда-то вода текла по поверхности, а теперь сохраняется главным образом в виде химически связанного водорода внутри минералов. Но сколько лет этим водородсодержащим минералам, где именно они залегают и в какой концентрации — до сих пор оставалось понятным лишь отчасти. А ведь именно такие детали критически важны для реконструкции ранней среды Марса и оценки его потенциальной обитаемости в далёком прошлом.

Исследователи решили искать ответы не на самом Марсе, а в куске марсианской породы, выброшенном на Землю много миллионов лет назад. Изученный фрагмент был небольшим — всего 12 на 8 на 2 миллиметра, однако метод, применённый учёными, обещает гораздо больше: впервые водород в марсианском камне удалось картировать в трёх измерениях и без разрушения образца.

Технология, как отмечают в PSI, масштабируется и на более крупные пробы. В перспективе она может сыграть важную роль, когда на Землю доставят образцы грунта с Марса или других небесных тел в рамках будущих миссий.