На Марсе нашли следы устойчивого океана. Почему это меняет шансы найти жизнь?

Долгое время планетологи спорили о том, каким был ранний Марс. Одни исследователи утверждали, что планета всегда оставалась холодной и сухой, а жидкая вода появлялась на ней лишь кратковременно — например, после падения крупных астероидов, которые растапливали лед. Другие отстаивали гипотезу о существовании долгоживущих океанов, которые могли создать условия для зарождения жизни.

Главная сложность этого спора заключалась в дефиците прямых доказательств. Снимки марсианской поверхности показывают сухие русла рек и очертания озерных котловин. Но эти формы рельефа не могут рассказать, как долго в них находилась вода. Потоки могли течь в течение сотен тысяч лет, а могли испариться за несколько недель после мощного паводка.

Чтобы установить истину, международной группе исследователей пришлось отказаться от простого изучения ландшафтов и обратиться к химии марсианского грунта. Местом исследования стала Равнина Утопия — самая большая низменность в северном полушарии Марса. Объединив данные космических аппаратов и возможности искусственного интеллекта, ученые смогли не только доказать существование древнего марсианского океана, но и вычислить точное время его жизни.

Геохимия на службе планетологов

Определить время существования древней воды ученым помог марганец. Это один из самых распространенных переходных металлов, который входит в состав многих магматических пород. Когда вода разрушает эти породы, марганец вымывается и начинает вести себя строго определенным образом в зависимости от химического состава водной среды.

В глубоких слоях водоема, где практически нет растворенного кислорода, марганец находится в растворенном состоянии. Он может перемещаться с течениями на огромные расстояния. Однако все меняется на мелководье — у берегов или у самой поверхности воды. Здесь, в присутствии растворенного в воде кислорода и под действием солнечного ультрафиолета, происходит химическая реакция окисления.

Растворенный марганец превращается в твердый оксид и выпадает в осадок на дно. Накапливаясь на мелководье в течение долгого времени, этот металл образует четкую зону высокой концентрации. По этой зоне геологи могут точно определить, где находилась береговая линия древнего водоема и на какой глубине осаждались минералы.

Почему обычные приборы не видели металл

Идея использовать марганец как индикатор древней воды существовала давно, но ученые не могли точно измерить его концентрацию с орбиты. Космические аппараты изучают Марс с помощью спектрометров — приборов, которые анализируют солнечный свет, отраженный от поверхности планеты. Каждый минерал отражает свет по-своему, оставляя в спектре индивидуальный рисунок.

Оксиды марганца создают серьезную проблему для таких приборов. На Марсе они не лежат в виде чистых камней, а образуют тончайшие налеты на песчинках других пород. Эти налеты поглощают свет в очень широком диапазоне длин волн. Смешиваясь со спектрами других минералов (например, железа), марганец полностью маскирует их. Обычные алгоритмы анализа спектров в таких случаях выдают неверные результаты или вовсе не замечают присутствия металла.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из Пекинского университета и Университета Бейхан создали специализированную нейросеть SCANet. Ее задачей было научиться распознавать скрытые закономерности в отраженном свете.

Сначала нейросеть обучили на виртуальных моделях. Ученые создали 13 500 спектров различных смесей минералов, рассчитав их по физическим формулам. Затем программу протестировали на реальных марсианских грунтах-имитаторах, которые изготовили в лаборатории. В эти искусственные грунты подмешивали разные типы оксидов марганца в концентрациях от 0,1% до 15%.

В результате искусственный интеллект научился определять долю марганца в грунте не по отдельным пикам поглощения света, а по общему изменению формы спектральной кривой.

Карта древнего бассейна

Разработанную нейросеть применили для анализа колоссального объема информации. Всего программа обработала более 5,7 миллиона спектров марсианской поверхности. Эти данные собирали три независимых источника: китайский марсоход «Чжужун», работавший непосредственно на Равнине Утопия, а также орбитальные аппараты Mars Express (Европейское космическое агентство) и Mars Reconnaissance Orbiter (НАСА).

Результаты расчетов показали закономерность. В районе, где передвигался марсоход «Чжужун», концентрация марганца зависела от высоты рельефа. В низинах (на отметке -4109,5 метра) содержание марганца составляло всего 2,7% от массы грунта. Но на возвышенностях (на уровне -4099 метров) его концентрация поднималась до 7,4%.

Орбитальные приборы подтвердили, что эта зона высокой концентрации марганца тянется непрерывной полосой вдоль всей южной окраины Равнины Утопия.

Благодаря этим данным геологи смогли детально восстановить историю древнего моря:

1. Появление воды. В начале гесперийской эпохи на Марсе происходили масштабные тектонические сдвиги и наводнения. Вода скапливалась под поверхностью, запечатанная слоями глины и льда. Поднявшееся давление спровоцировало извержения грязевых вулканов, которые выбросили огромные объемы грунтовых вод на поверхность Равнины Утопия.
2. Формирование моря. Излившаяся вода заполнила гигантскую низменность. Вдоль берегов, где вода была насыщена кислородом, началось активное осаждение твердых частиц марганца.
3. Исчезновение океана. Со временем климат Марса начал меняться в сторону похолодания, а атмосфера стала разрежаться. Вода начала испаряться. По мере того как море усыхало и его уровень падал, береговая линия смещалась ниже, оставляя за собой слои марганца и сульфатов.
4. Погребение. После того как бассейн окончательно высох, вулканические извержения покрыли дно Равнины Утопия толстыми слоями базальтовой лавы. Это сохранило древние отложения марганца от разрушения ветром в течение последующих миллиардов лет.

Полтора миллиона лет стабильности

Самым важным результатом исследования стал расчет времени, в течение которого существовал этот водоем. Чтобы перевести химические концентрации в годы, ученые построили математическую модель осаждения марганца на Марсе.

Для этого исследователи учли несколько факторов. Окисление марганца происходило без участия живых организмов, за счет химических реакций. Скорость этих реакций зависела от плотности марсианской атмосферы того времени, содержания в ней кислорода (которое тогда составляло от 0,1% до 1% от земного уровня) и интенсивности ультрафиолетового излучения. Также реакцию ускоряли уже выпавшие ранее оксиды железа.

Расчеты показали, что для накопления тех концентраций марганца, которые обнаружил марсоход «Чжужун» на марсианском побережье, требовалось от 1,3 до 12,9 тысячи лет непрерывного выпадения осадка.

Учитывая общую толщину осадочных пород в Равнине Утопия, глубина которой в период расцвета океана достигала 1200 метров, исследователи определили итоговые сроки. Древний океан существовал в стабильном состоянии от 800 тысяч до 1,5 миллиона лет.

Значение для науки и будущих экспедиций

Определение времени существования марсианской воды меняет понимание истории планеты. Полтора миллиона лет — это незначительный срок для геологии Земли, но огромный период для химии Марса. Этого времени достаточно для протекания сложных химических процессов, которые предшествуют появлению первых живых клеток.

Период стабильности океана в Равнине Утопия совпадает по времени с эпохой, когда на Земле зарождались первые микроорганизмы (около 3,4 миллиарда лет назад). Если на Марсе существовали аналогичные условия, жизнь могла начать развиваться и там. Районы с высокой концентрацией марганца теперь становятся главными целями для будущих миссий, направленных на поиск марсианских окаменелостей и следов древней биосферы.

Кроме того, это открытие имеет практическое значение для будущих пилотируемых экспедиций. Оксиды марганца являются эффективными катализаторами. На их основе можно создавать установки для расщепления технической или грунтовой воды с целью получения кислорода непосредственно на Марсе. Древние береговые линии Равнины Утопия могут стать первыми промышленными зонами, которые обеспечат жизнедеятельность человеческих баз на Красной планете.

Источник:Nature Communications