Японское космическое агентство осенью 2024 года планирует запустить аппарат для исследования двух спутников Марса. Он должен доставить на Землю образцы пород марсианских лун. Астрономы надеются получить доказательства, свидетельствующие о происхождении Фобоса и Деймоса и наконец определить, откололись ли они в своё время от протопланеты в результате столкновения Марса с крупным космическим объектом или это астероиды, захваченные на марсианскую орбиту.
Два небольших спутника Марса — Фобос и Деймос диаметром всего 22 и 13 километров давно интересуют астрономов. Главный вопрос — их происхождение. Пока здесь лидируют две достаточно очевидные гипотезы. Во-первых, спутники могли образоваться при ударе крупного астероида на ранней стадии развития Солнечной системы. Этот же механизм, как предполагают, привёл к образованию Луны («гипотеза Тейи»). Альтернативная гипотеза утверждает, что спутники Марса были астероидами, которые в своё время были захвачены гравитационным полем планеты и остались на её орбите. Таких астероидов есть в изрядном количестве в Главном поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера, поэтому эта точка зрения совсем не выглядит маргинальной.
Решить загадку помогли бы образцы с космических тел, которые можно бы было проанализировать на Земле. Японское космическое агентство JAXA ещё в 2017 году анонсировало старт проекта, который справится с этой задачей. Теперь уже известно, что запуск корабля в рамках миссии под названием MMX (Martian Moons eXploration) планируется на сентябрь 2024 года. Корабль выведет в космическое пространство ракета нового типа H-3, которая ещё находится в процессе разработки.
Аппарат достигнет марсианской орбиты в 2025 году, после этого перейдёт на орбиту вокруг Фобоса. После сбора материала с его поверхности он вернётся на Землю в 2029 году. Программа станет следующей в ряду проектов по возвращению образцов пород с космических тел. В этом списке — успешная доставка пород с астероида Рюгу при помощи японского зонда «Хаябуса-2», программа NASA по исследованию астероида Бенну OSIRIS-Rex, а также доставка пород с Луны при помощи китайского аппарата «Чанъэ-5» (про все эти проекты можно прочитать в соответствующих статьях на сайте по ссылкам).
Если происхождение марсианских лун (или одной из двух) импактное, материал с Фобоса будет «похож» на марсианский. Пока что в распоряжении планетологов нет образцов, доставленных космическими аппаратами с Марса (впрочем, через несколько лет таковые могут появиться), но можно исследовать некоторые найденные образцы метеоритов на Земле, которые, как установлено, были выбиты с Марса. Материал таких образцов будет сравним с материалом, доставленным с Фобоса.
Если верна гипотеза орбитального захвата, состав образцов с Фобоса будет подобным материалу астероидов Солнечной системы. Ведущая гипотеза в этой группе предполагает, что породы спутников Марса имеют состав, аналогичный специальному классу метеоритов — углистых хондритов. Это самый распространённый класс среди найденных на Земле метеоритов, поэтому здесь недостатка материала для сравнения у геологов нет.
Сравнение материала метеоритов и доставленных образцов даст ответ на происхождение марсианских лун. Один из методов исследования инопланетного материала — измерение содержания разных изотопов, в частности, кислорода. У кислорода есть три устойчивых изотопа с атомными массами 16, 17 и 18 (16O, 17O, 18O). Из данных в соответствующей клеточке в Периодической таблице элементов видно, что изотоп 16O превалирует (средняя атомная масса кислорода близка к 16 г/моль), а концентрация двух других ничтожно мала, или, как говорят геохимики, они находятся в природе в следовых концентрациях. Тем не менее содержание этих микроскопических примесей меняется в зависимости от класса пород образца (земные породы разных типов, марсианские метеориты, астероиды и т.д.), и оно может служить сигнатурой, указывающей на его происхождение. Аналогично в геохимии используются сигнатуры, связанные с микропримесями редких изотопов других элементов, например, углерода, водорода, азота. Всего есть около 300 устойчивых изотопов, и происхождение пород с разным успехом можно исследовать по значительной их части.
Концентрации элементов, которые интересуют геохимиков, очень малы и измеряются в долях на миллион (например, это может быть всего несколько миллиграмм на килограмм, или ppm, parts-per-million) . Поэтому для анализа таких материалов используют разные безразмерные величины, которые определяются как отношения микроскопических концентраций, в частности, в исследуемом образце и каком-нибудь эталоне сравнения — некотором веществе, геохимические свойства которого хорошо известны. Такие отношения в научных работах стандартно обозначают символом δ. На рисунке ниже вертикальная ось представляет такую величину δ18O. Для её получения сначала необходимо измерить отношение концентрации изотопа 18O к стандартному 16O в образце (собственно, это и есть суть геохимического измерения). Затем эта величина, составляющая обычно около 0,1 процента, сравнивается с такой же известной характеристикой эталона. Видно, что породы различного происхождения группируются по характерным значениям дельты: в марсианских породах изотопа 18O больше, чем в земном эталоне (δ18O >0), в метеоритах — меньше. Очевидно, различие связано с разными условиями образования космических тел и особенностями эволюции пород. Неудивительно, что для образцов земных пород она близка к 0 (ведь эталон сравнения — как раз земной образец). Величина на другой оси, обозначенная как Δ17O — это тоже некоторое безразмерное отношение, только более хитрое: в него входят «дельты» для 17O и 18O. Чтобы не входить в подробности, здесь упомянем только, что это устоявшаяся «мера» для исследования стабильных изотопов кислорода в контексте происхождения разных космических образцов, в том числе марсианских. Тем, кто хочет изучить эту проблематику глубже, можно порекомендовать одну из классических работ 1999 года в журнале Meteoritics & Planetary Science, посвящённую изотопному составу Земли и Марса.
Итак, образцы пород марсианских метеоритов можно в лаборатории легко отличить от земных пород. Если Фобос сформировался в том же самом районе Солнечной системы, что и Марс (имеется в виду расстояние от Солнца), в образцах, которые доставит зонд MMX с Фобоса можно ожидать содержание δ18O около 0,3. С другой стороны, сторонники гипотезы метеоритного происхождения Фобоса ожидают соответствующих характерных значений избыточной концентрации изотопа кислорода — в углеродных хондритах она меняется в широком диапазоне от -0,5 до -4. То есть изотопный состав кислорода — подходящий инструмент, который позволит ответить на вопрос о происхождении марсианских лун.
Если Фобос является фрагментом Марса, в его породах должен содержаться исходный марсианский материал. Несмотря на то, что геологические процессы на Марсе протекают очень медленно по сравнению с Землёй, какое-то воздействие на породы марсианская природа оказывает. На Марсе есть разреженная атмосфера, а также поднимаются сильные пылевые бури. В геологическом прошлом к этим факторам эрозии (выветривания) ещё, как мы теперь знаем, добавлялось действие потоков воды. Возможно, воду на Марс в первый миллиард лет его истории доставляли астероиды и кометы, также она могла образовываться при действии вулканов. Как и на Земле, вода должна была вызывать химические изменения марсианских минералов. Фобос же оставался космическим телом, лишённым атмосферы и вулканов, соответственно с полностью заторможенными геологическими процессами. Поэтому его образцы могут указать на исходное содержание воды на древнем Марсе.
Подробнее о технических аспектах и перспективах проекта Martian Moons eXploration см. в нашей статье 2021 года, написанной до того, как стали известны детали программы.