Меньше месяца осталось до начала воплощения проекта ExoMars, который в течение долгих лет готовят Европейское космическое агентство и «Роскосмос». На 14 марта назначен старт с космодрома Байконур первого аппарата, участвующего в этой в программе. Он носит название TGO (Trace Gas Orbiter).
Находясь на орбите на высоте 400 километров над поверхностью Марса, аппарат TGO займется поисками мест, где уровень метана наиболее высок. Именно там ученые надеются с наибольшей вероятностью обнаружить марсианскую жизнь. «По существу наш космический аппарат представляет собой гигантский нос в небе, – говорит Хорхе Ваго, участник проекта ExoMars. – И мы будем использовать его, чтобы вынюхивать присутствие метана на Марсе и определить, производится ли этот метан в результате биологических процессов».
Большая часть метана в атмосфере Земли образуется благодаря работе микроорганизмов, в том числе живущих в желудочно-кишечном тракте крупного рогатого скота и в термитниках. Так что обнаружение метана в атмосфере Марса будет веским доводом в пользу наличия там жизни.
В декабре 2014 годы интересные новости о марсианском метане сообщил марсоход Curiosity. На нем установлен прибор SAM (Sample Analysis at Mars), предназначенный для химического анализа газов и образцов грунта. При помощи газовой хроматографии SAM обнаружил, что иногда концентрация метана в марсианской атмосфере кратковременно возрастает в десять раз. В течение 20 месяцев такое явление обнаруживалось более десятка раз. Конечно, нет гарантии, что этот метан был результатом деятельности каких-либо живых организмов, но в любом случае интересен источник такого выброса.
Ученые уже предложили различные гипотезы относительно того, какими путями может возникать метан на Марсе и куда он может потом деваться. Помимо деятельности микроорганизмов источником метана может быть химическая реакция между водой и горными породами: оливином или пироксеном. Также молекулы метана могут образоваться под действием ультрафиолетового излучения Солнца из других органических соединений биогенного или абиогенного происхождения (например, из падающих на поверхность Марса частиц комет). Наконец, метан мог возникнуть в марсианских породах в далеком прошлом, а его молекулы – сохраниться на долгое время, угодив в так называемые клатраты. Под таким названием известны специфические соединения, в которых молекула газа находится «в плену» внутри кристаллической решетки. В клатрате молекулы воды, связанные силами Ван-дер-Ваальса, образуют каркас решетки, а в ее внутренних полостях заключены другие молекулы, часто это метан. Скопления гидрата метана в форме клатрата распространены в донных осадках земных океанов и вечной мерзлоте.
Возможные источники метана в атмосфере Марса
Исчезать же метан может тоже под действием Солнца, излучение которого запускает реакцию окисления метана и превращения его через промежуточные стадии формальдегида и метанола в двуокись углерода – самое распространенное вещество марсианской атмосферы.
Trace Gas Orbiter будет оборудован высокоточными спектрометрами, которые способны отслеживать метан в концентрации всего десятки триллионных долей. В ходе работы аппарата будет создана карта распределения выходов метана на Марсе, что позволит выбрать место для посадки наземного аппарата ExoMars rover – второго участника проекта ExoMars.
Приборы орбитального аппарата способны обнаружить не только метан, но и другие вещества, например, уже упоминавшиеся метанол и формальдегид – возможные продукты распада метана. Поэтому ученые надеются уже на первом этапе проекта ExoMars уточнить свои представления о механизмах появления и распада метана в марсианской атмосфере. Если совместно с метаном будут выявлены другие углеводороды, например, пропан и этан, это будет сильным свидетельством в пользу того, что источником таких газов служат биологические процессы. Если же спектрометры заметят такие газы, как двуокись серы, это станет доводом в пользу вулканического происхождения метана. Среди веществ, которые способен определять Trace Gas Orbiter, есть также вода, гидропероксил, оксиды азота (I) и (II), ацетилен, этилен, циановодород, сероводород, сульфид карбонила, хлористый водород, оксид углерода (II) и озон. Для большинства соединений предел чувствительности составляет 100 частей на триллион, для самых важных – несколько десятков частей на триллион.
Trace Gas Orbiter и модуль Schiaparelli на вибрационных испытаниях (2015)
Научные приборы орбитального аппарата имеют собственные имена. NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery) – это скомбинированные два инфракрасных и один ультрафиолетовый спектрометр. ACS (Atmospheric Chemistry Suite) состоит из трех инфракрасных спектрометров. Также на аппарате установлена цветная стереокамера CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System) высокого разрешения (4,5 Мп). Она будет использована для создания точных цифровых моделей рельефа Марса, а особенно важна будет ее роль в выборе места посадки для второй части миссии. Наконец, на космическом аппарате будет еще и нейронный детектор FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector), предназначенный для поиска наличия водорода в форме воды или гидратированных минералов. Он способен замечать свои цели на глубине до одного метра под поверхностью Марса. Приборы ACS и FREND разработаны в Институте космических исследований РАН.
Когда TGO будет еще на пути к Марсу, от него отделится демонстрационный десантный модуль Schiaparelli, получивший свое имя в честь знаменитого итальянского астронома. Он приступит к спуску на Марс в районе плато Меридиана, немного южнее марсианского экватора. Основная цель Schiaparelli отработка технологий входа в марсианскую атмосферу, спуска и посадки (о специфических трудностях при посадке космических аппаратов на Марс можно прочитать в очерке «“Тарелка” идет на посадку»). Во время спуска модуль будет собирать и передавать на TGO данные о плотность атмосферы, температуре, давлении, влажности, скорости и направлении ветра, содержании пыли. Оказавшись на поверхности Марса, он также измерит электрическое поле планеты. Ученые рассчитывают, что сопоставление данных о пыли в атмосфере Марса, которые соберет датчик прозрачности атмосферы, с информацией об атмосферном электричестве, позволит лучше понять процесс возникновения марсианских пылевых бурь.
Макет модуля Schiaparelli
Второй этап проекта ExoMars должен начаться в 2018 или 2020 году, когда на Марс отправится марсоход ExoMars rover. На планету будет спущена посадочная платформа (Surface Science Platform), которая сама по себе будет целым научным комплексом. НПО имени Лавочкина, где работают над созданием платформы, планирует разместить там около 50 килограммов научного оборудования. Находящийся на орбите TGO будет служить ретранслятором сигналов с поверхности Марса до 2023 года.
