ExoMars: есть ли жизнь на Марсе?

2 февраля 2017

«Роскосмос» совместно c Европейским космическим агентством исследуют тайны четвертой планеты

Есть ли жизнь на Марсе? Этот вопрос уже несколько веков волнует умы людей. Помочь ответить на него призвана совместная программа ExoMars Европейского космического агентства (ESA) и российской госкорпорации «Роскосмос». 14 марта 2016 года межпланетный зонд TGO (Trace Gas Orbiter — орбитальный аппарат для поиска следов газа в атмосфере) был успешно запущен в космос российской ракетой «Протон-М» с космодрома Байконур. Через 7 месяцев, 19 октября 2016 года, TGO вышел на орбиту Марса. Не обошлось, правда, без проблем: европейский посадочный модуль Schiaparelli, запущенный вместе с TGO, разбился при попытке совершить мягкую посадку. Недаром Марс имеет репутацию планеты со «сложным характером». 

Не там копаете

Четвертую планету Солнечной системы уже изучали десятки космических аппаратов. В настоящее время над Марсом кружат шесть межпланетных станций, среди которых, к примеру, американский аппарат MRO, способный разглядеть на поверхности планеты объекты размером 30 см. Более того, на этой самой поверхности продолжают работать два американских марсохода. Открыты высохшие моря и реки. Под поверхностным слоем найден водяной лед, причем в огромных количествах. Есть данные, что теоретически микроорганизмы могут выдержать суровые условия Марса. И тем не менее убедительных доказательств существования жизни на этой планете до сих пор не обнаружено. На что же рассчитывают европейские и российские ученые, участвующие в программе ExoMars? Они считают, что, прежде чем приступить к поискам, надо определиться, где именно искать.

Есть два вещества, присутствие которых служит маркером жизни. Во-первых, это вода, без которой жизнь (во всяком случае, органическая) невозможна. А во-вторых, метан, который является продуктом жизнедеятельности организмов. Уже известно, что вода на Марсе наличествует в виде колоссальных залежей подповерхностного льда. Если его растопить, то он покроет планету океаном глубиной в несколько десятков или даже сотен метров. Проблема лишь в том, что средняя температура на Марсе равна –50 °С, а самое главное — давление атмосферы у поверхности в 160 раз меньше, чем на Земле, поэтому вода на 70% территории Красной планеты в жидком виде существовать не может в принципе: при повышении температуры выше 0 °С лед не тает, а сублимирует в водяной пар, минуя жидкую фазу. Однако в низинах с повышенным атмосферным давлением появление влаги возможно, хотя она и закипает максимум при +10 °С. То есть в экваториальных районах летом, где температура днем может доходить до +27 °С, возможно образование жидкой воды если не в виде родников, то хотя бы в качестве соляных растворов в грунте, которые вполне могут служить питательной средой для местных бактерий. Во всяком случае, американский фоторазведчик MRO уже обнаружил фрагменты ландшафта, подозрительно напоминающие потоки грязи.

Известно также, что в атмосфере Марса присутствует микроскопическая, периодически исчезающая, а потом вновь возникающая примесь метана. Откуда он берется? Есть ли места, где его концентрация особенно велика? Совпадают ли эти области с марсианскими «оазисами» из водяных рассолов? Именно на эти вопросы намерена в первую очередь ответить российско-европейская программа ExoMars, а уж потом приступить к поискам жизни в перспективных с этой точки зрения районах.

Инфографика

Российский вклад

ExoMars — большая и многоэтапная программа. В ее рамках запланирован запуск двух межпланетных аппаратов. TGO, который уже работает на орбите Марса, призван определить наиболее перспективные районы для поисков жизни, изучая планету с орбиты. Второй межпланетный зонд, запуск которого в настоящее время намечен на 2020 год, должен доставить европейский марсоход, чтобы вступить в непосредственный контакт с «марсианами». Этот марсоход, кроме прочего, будет оснащен буровым устройством, способным достичь глубины 2 м. Но на первом этапе надо определить, где именно бурить.

Основной вклад нашей страны в программу ExoMars — предоставление для запусков двух ракет-носителей тяжелого класса семейства «Протон». Кстати, ранее предполагалось, что для пусков по программе ExoMars Национальное агентство по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) выделит ракеты Atlas V. Однако в 2012 году из-за бюджетных ограничений американцы вышли из программы, так что без поддержки «Роскосмоса» проект, скорее всего, не состоялся бы вовсе. Для России же участие в этой программе выгодно тем, что позволяет оставаться «в курсе дел» международного научного сообщества. Ведь кроме предоставления услуг межпланетного «извозчика», российские специалисты участвуют и в научной программе ExoMars-2016: Институт космических исследований Российской академии наук создал два из четырех научных приборов для орбитального «следопыта» TGO. В договоре, подписанном «Роскосмосом» и ESA, особо оговаривается, что результаты исследований являются совместной интеллектуальной собственностью партнеров.

Два российских научных прибора на TGO — это ACS (Atmospheric Chemistry Suite — комплект приборов для исследования химического состава атмосферы) и FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector — детектор эпитепловых нейтронов высокого разрешения). ACS — набор из трех спектрометров, способных с высокой точностью определять наличие незначительных примесей в атмосфере. Содержание метана планируется определять с точностью до одной частицы на триллион. Кроме того, прибор сумеет отличить метан биологического происхождения от газа, который является результатом чисто геологических процессов, например, вулканической деятельности. У этих двух разновидностей — разный состав примесей и изотопов. На Титане, спутнике Сатурна, текут метановые реки, но жизнью там и не пахнет, а вот на Земле 90% метана — биологического происхождения. TGO предстоит разобраться, какого рода газ обнаружен на Марсе. 

Не менее важно, что ACS способен не только зафиксировать наличие примесей в атмосфере, но и определять места их концентрации над поверхностью, что и является одной из главных задач первого этапа программы. Примесь метана в атмосфере Марса в количестве 10 частей на миллиард еще в 2003 году зафиксировала европейская межпланетная станция Mars Express. Однако для подробного картографирования «месторождений» этого газа требуется чувствительность в 100 раз больше. Собственно, из этой нужды и выросла идея TGO, способного четко определить, откуда «валит пар».

Cредняя температура на Марсе равна – 50 °С, а давление атмосферы у поверхности в 160 раз меньше, чем на Земле © NASA ACS — прибор интересный, но не уникальный. На TGO работает аналогичное устройство, созданное европейскими учеными и названное NOMAD. ACS и NOMAD будут дополнять друг друга, поскольку проводят измерения в разных диапазонах частот. А вот второй российский прибор — детектор нейтронов FREND — это гордость отечественного космического приборостроения, область, где российская наука сохраняет лидирующие, если не монопольные позиции.

Этот детектор, расположенный на орбите высотой несколько сотен километров, способен находить содержащие водород вещества (то есть воду или лед) на глубине до метра под поверхностью. Принцип действия прибора таков: часть нейтронов, которыми планету бомбардирует Солнце, «отскакивает», предварительно проникнув в грунт на метр или чуть больше. Скорость «отскока» зависит от наличия на пути водорода. Регистрируя скорость отраженных нейтронов, можно определять, сколько водорода, то есть воды или льда, скрыто под поверхностью. 

Возможности российских нейтронных детекторов таковы, что NASA их заказывает у «Роскосмоса» и ставит на свои исследовательские аппараты. В частности, аналогичный прибор под названием HEND искал воду с борта запущенного в 2001 году американского марсианского зонда Mars Odyssey. Российский прибор этого типа работает в настоящее время и на тяжелом американском марсоходе Curiosity. Разумеется, техника не стоит на месте, и если HEND составил карту подповерхностного льда с пространственным разрешением около 300 км, то точность измерений FREND увеличилось до 40 км. Уточненная карта ледяных залежей вкупе с данными по местам выбросов метана и водяного пара даст дополнительную информацию для размышлений о жизни на Марсе.

Четвертый прибор на борту TGO — европейская цветная камера CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System) с разрешением до 4,5 м, которая создаст стереоизображения потенциальных источников газовых примесей.  

«Невезучая» планета

Марс имеет репутацию «невезучей» планеты, особенно с точки зрения российских исследователей. Всего к нему до начала 2017 года мировым сообществом было направлено 46 космических аппаратов, однако успешными стали только 24 экспедиции, чуть больше половины. Большинство из этих неудач, правда, связано с ранним периодом советских исследований Красной планеты. Мы можем по праву гордиться тем фактом, что первую в истории мягкую посадку на Марс осуществил 2 декабря 1971 года спускаемый аппарат советской межпланетной станции «Марс-3». С другой стороны, как ни печально, но эта посадка до сих пор остается для нас единственной успешной. 

Не были застрахованы от неудач и американцы. Один из самых досадных казусов в истории межпланетных исследований связан с их аппаратом Mars Climate Orbiter (MCO), запущенным в 1998 году. Для экономии топлива снижать скорость для выхода на орбиту Марса MCO должен был не двигателями, а за счет аэродинамического торможения, «чиркая» по краю атмосферы планеты, но не погружаясь в нее. Для этого требовалась очень точная навигация, между тем в бортовой компьютер по ошибке были введены данные тяги двигателя в ньютонах (единица СИ), в то время как программа использовала американские фунт-силы. В результате вместо расчетной высоты 110 км аппарат снизился до 57 км и сгорел.  

Не обошлось без сложностей и начало программы ExoMars. «Верхом» на TGO к Марсу направился экспериментальный десантный модуль Schiaparelli, названный в честь итальянского астронома Джованни Скиапарелли, того самого, который в XIX веке «открыл» знаменитые марсианские каналы, породившие столько надежд на существование братьев по разуму на соседней планете, но на поверку оказавшиеся лишь оптической иллюзией. Именно со Schiaparelli и возникли проблемы.

Началось, впрочем, все вполне удачно. 14 марта 2016 года межпланетный зонд TGO с установленным на нем Schiaparelli был успешно запущен с помощью российской ракеты «Протон-М», стартовавшей с космодрома Байконур. В тот же день российский разгонный блок «Бриз-М», проведя четыре включения двигателя за 12 часов, вывел аппарат на отлетную траекторию к Марсу. Скажем откровенно, операция эта была достаточно волнительной для участников программы, поскольку в предыдущий раз «Протон» запускал межпланетную станцию «Марс-96» аж в ноябре 1996 года, то есть 10 лет назад, и тогда аппарат так и не смог выйти на отлетную траекторию к «невезучей» планете. Памятен и казус с запуском в 2011 году российской межпланетной станции «Фобос–грунт», которая из-за сбоя электроники также не смогла покинуть околоземную орбиту. Третья неудача подряд могла окончательно подорвать международную репутацию России как «межпланетной» державы. Но в этот раз все закончилось, а вернее началось, удачно. Причем разгонный блок «Бриз-М» отработал столь точно, что отпала необходимость в первом корректирующем маневре TGO для устранения ошибок выведения.

14 марта 2016 года межпланетный зонд TGO с установленным на нем Schiaparelli был успешно запущен с помощью российской ракеты «Протон-М», стартовавшей с космодрома Байконур © NASA Далее начался 7-месячный межпланетный перелет, в ходе которого российские приборы уточняли радиационную обстановку на трассе Земля — Марс. Эти данные пригодятся в дальнейшем, в том числе и для обеспечения безопасности пилотируемых экспедиций к соседней планете.

Наконец, 14 октября 2016 года полет вступил в критическую фазу: в результате коррекции траектории TGO направил свой путь так, чтобы обеспечить посадку модуля Schiaparelli в заданном районе. Модуль отделился от межпланетной станции и устремился к поверхности Марса. Увы, мягкой посадки не получилось. Поначалу все шло по плану: 19 октября Schiaparelli вошел в атмосферу на высоте 120 км и на скорости 21 000 км/ч. За 3 минуты модуль затормозился до скорости 1700 км/ч благодаря аэродинамическому экрану в форме «летающей тарелки». На высоте 12 км был введен в действие тормозной парашют. Все шло нормально до отметки 3,8 км, когда скорость упала до 250 км/ч. Далее предполагалось, что аппарат на высоте около 1,3 км сбросит парашют и будет тормозиться жидкостными ракетными двигателями, которые снизят скорость до 7 км/ч и выключатся на высоте около 2 м. 

В действительности произошло следующее: один из навигационных приборов (кстати, американского производства) неожиданно выдал ложные данные, сообщив бортовому компьютеру, что Schiaparelli якобы уже достиг поверхности Марса. И, хотя у компьютера была масса другой информации о реальной высоте полета (например, показания радара), он почему-то «поверил» сбойному прибору и отстрелил парашют. Двигатели мягкой посадки, как и положено, начали работу, однако компьютер выключил их через 4 секунды, так как по-прежнему считал, что посадка уже состоялась. В результате аппарат массой 300 кг падал с высоты 3,8 км и врезался в поверхность Марса на скорости около 300 км/ч. В результате удара и взрыва 46 кг топлива образовалась воронка диаметром 2,4 м и глубиной 0,5 м, как видно на снимке района падения, сделанном с орбиты американским фоторазведчиком MRO. Марс вновь продемонстрировал свой сложный характер. 

Что дальше

Россия не несет ответственности за неудачу Schiaparelli, поскольку модуль создавался специалистам ESA. С его помощью европейцы попытались отработать технологию мягкой посадки на Марс для своих будущих экспедиций. Подобной технологией в настоящее время обладают, по сути, только США. Формально успешную мягкую посадку на эту планету имеет в послужном списке и наша страна, но произошло это, как уже сказано выше, 45 лет назад, так что, в сущности, данную компетенцию сегодня надо создавать заново. Благо у российской космической отрасли есть потенциал для этого. Недаром европейцы, не надеясь пока на себя, решили доверить создание посадочного модуля для своего марсохода в экспедиции ExoMars-2020 НПО им. Лавочкина, ведущему отечественному ОКБ по разработке межпланетных аппаратов, с которым банк ВТБ связывает многолетнее сотрудничество. Именно эта фирма создала «Марс-3», совершивший историческую первую посадку на Марс в 1971 году.

Ну а пока внимание приковано к TGO. 19 октября 2016 года аппарат успешно вышел на вытянутую орбиту с минимальным расстоянием от поверхности Марса 250 км и максимальным — 98 000 км. Период обращения по такой орбите составляет 4 дня, и проводить научные исследования с нее затруднительно. В течение всего 2017 года TGO будет постепенно изменять параметры орбиты, пока она не превратится в круговую с высотой 400 км и наклонением 74°. Это будет достигнуто с помощью уже описанного выше аэродинамического торможения путем небольших «нырков» в атмосферу. Ожидается, что такая процедура завершится в марте 2018 года, после чего начнется выполнение научной программы. Российские приборы уже прошли тестовое включение и показали, что находятся в хорошей форме. Ждем новостей с Марса!

Поделитесь с друзьями:
Facebook Вконтакте Твиттер Одноклассники LiveJournal МойМир Google Plus Эл. почта
Подписаться на новости раздела «Высокие технологии»
Материалы по теме

6 сентября 2016

Что из себя представляет атомный буксир для космоса?
Транспортно-энергетический модуль
Что из себя представляет атомный буксир для космоса?

2 сентября 2016

Куда заводят мечты об освоении Вселенной Атомный буксир
Куда заводят мечты об освоении Вселенной

10 августа 2015

12 насущных вопросов главе «Роскосмоса» Игорю Комарову Прагматичный мечтатель
12 насущных вопросов главе «Роскосмоса» Игорю Комарову
Новости раздела Высокие технологии