Вода во внутренней Солнечной системе

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 1(7) 2016

Жули С. Кастилло-Рогез (Julie Castillo-Rogez), Лаборатория реактивных двигателей, США

Такое знание включает в себя основные сведения о происхождении воды и органики, основы пребиотической химии. Вода также находится в центре внимания программы освоения человечеством космического пространства и в долгосрочной перспективе – колонизации человеком Солнечной системы.

На тернистом пути поисково-разведочных работ находятся три целевых объекта: Луна, астероиды и, в конечном счёте, Марс. Выполнение поставленных задач послужит доказательством теорий возникновения воды либо в виде подземного льда, гидратной воды (в структуре скальных пород), или в холодных ловушках. Конденсация летучих веществ в охлаждаемой ловушке теперь фактически подтверждается даже в самых экстремальных областях Солнечной системы, таких как Меркурий.

Астероиды, богатые летучими веществами, призваны служить площадками для освоения человечеством космического пространства в целях разведки недр, они могут предложить возможности для дозаправки и потенциал для использования. Есть теория, что Фобос и Деймос – астероиды, богатые летучими веществами, – были захвачены Марсом во время серии миграции астероидов и планетезималей внешней Солнечной системы в начале её зарождения.

Естественно, их рассматривают в качестве основы для освоения человечеством марсианской системы. На Фобосе, в частности, спектроскопические наблюдения показывают характерные признаки присутствия воды. Между тем этот объект всегда находится в зоне нашего внимания с меркантильной целью, а последовательное оконтуривание и минералогические характеристики этого объекта необходимы, чтобы оценить его реальный потенциал для разведки местных ресурсов.

Долина Арда – область на Марсе, состоящая из сети дренажных долин, видимых в левой части изображения. Регион находится на западном крае древнего большого ударного кратера, который можно увидеть в правой части изображения. Этот регион в значительной степени зависит от воздействия воды. В дополнение к дренажными долинам: кратер, справа от центра, был когда-то заполнен илистым грунтом, который впоследствии превратился в хаотическую группу пластов, просматриваемых на дне кратера. Изменение масштаба слева от этого кратера, чуть выше нижнего центрального кратера, показывает светлые отложения, которые были идентифицированы как глина, сформировавшаяся под воздействием воды. Изломанный грунт справа также объясняется потерей подземного льда из-за испаряющейся воды. Разломы, вероятно, также связаны с напряжением поверхностных материалов из-за уплотнения осадков, наносимых водой. Изображение получено стереокамерой с высоким разрешением на космическом аппарате Mars Express 20 июля 2015 года. EКA/Немецкий аэрокосмический центр/Берлин

На сегодняшний день профильные космические полёты на Фобос оказались неудачными, но в течение последнего десятилетия интерес космического сообщества к этому объекту привёл к созданию ряда концепций: доставка образцов, геофизическая характеристика с высоким разрешением, поверхностные спускаемые аппараты и геолого-химическое картографирование. Ожидается, что в следующем десятилетии один из подобных космических полётов станет реальностью.

За пределами Марса главный пояс астероидов представляется нам следующим подходящим местом для поиска воды. Астероиды, богатые летучими веществами, составляют около 76% массы главного пояса или около 2х1021 кг. Между тем у нас нет данных о фактическом объёме воды, доступном в главном поясе.

В основе этой концепции лежит обилие планетезималей, богатых летучими веществами, которые мигрировали из внешней Солнечной системы (то есть за Юпитером). Наблюдения за увеличением обилия астероидов С-типа в главном поясе, полученные при помощи телескопов, вернули нас к давнему основному предположению, что астероиды формировались на своих текущих местоположениях. Парадоксальная ситуация для сосуществования сухого астероида Веста и влажной Цереры в том же районе.

Расширенный анализ основного пояса, благодаря интенсивным телескопическим обследованиям, проводимым в течение последнего десятилетия, дал нам осознание того факта, что характерное перемешивание сухих и влажных тел по всей области Солнечной системы не укладывается просто так в сценарий их формирования на месте. Это привело к разработке новых сценариев происхождения объектов, изобилующих летучими веществами, в главном поясе астероидов.

Марсианская луна Фобос, снимок сделан при помощи прибора HiRISE на борту космического летательного аппарата Mars Reconnaissance Orbiter. Изображение предоставлено НАСА / JPL- Калифорнийский технологический институт

Одна из этих моделей, которую окрестили Grand Tack («большая кнопка»), натолкнула на мысль, что ледяные планетезимали мигрировали из внешней Солнечной системы, а сухие астероиды мигрировали из внутренней орбиты Земли. Сценарий Гразьера предполагает, что летучие вещества, высвобождающиеся из водохранилищ планетезималей от четырёх растущих планет-гигантов, мигрировали в течение первых 5 млн лет вместе с началом формирования Солнечной системы и срослись с сухими астероидами уже на месте, в поясе астероидов.

В обоих случаях нам неизвестно относительное содержание переносимых летучих веществ; их трудно сдерживать, потому что в течение последующих миграционных событий часть доказательств стирается. Исследование Троянцев (астероиды, расположенные вдоль орбиты Юпитера, но собранные в облака спереди и сзади Юпитера на 60 градусов) может помочь найти ответ на этот вопрос.

Облака Троянцев находятся в гравитационных колодцах, которые захватили около 800 000 объектов. Они являют сохранившихся свидетелей масштабных миграционных событий. Этот регион вызывает небывалый интерес учёных: в Европе, Соединённых Штатах и Японии в настоящее время создано несколько команд, работающих над разработкой концепций для исследования этого региона.

НАСА недавно выбрали концепцию космического полёта в рамках своей программы Discovery для углубленного изучения с предстоящими несколькими облётами троянского поселения. «Planetary Decadal», обзор НАСА подчеркнул важность получения подробных химических наблюдений этих объектов, необходимых для определения их происхождения (й).

Концепция предполагает необходимость пребывания, по крайней мере на одном из них, в течение длительного периода для исследований, потому что некоторые химические измерения, важные для планетологии, требуют много времени для интеграции.

В связи с этим следующие космические полёты в данном контексте включают моменты сближения и даже спускаемый аппарат. Японское космическое агентство JAXA даже предлагает совершить очень амбициозный космический полёт на корабле с солнечным парусом, чтобы взять образец от одного троянского астероида и доставить его на Землю.

Солнце и Земля также делят гравитационные скважины. Регионы от Земли и до Троянцев, как полагают, захватили большое количество планетезималей, которые путешествовали в Солнечной системе на ранних стадиях.

Слева: псевдоцветное изображение кратера Occator на Церере. В настоящее время наличие ярких пятен можно объяснить тем, что они сделаны из солёного льда, возможно, осевшего, когда удар пробил кору Цереры до солёного океана внизу

Справа: изображение кратера Kupalo, полученное космическим аппаратом НАСА Dawn, одного из самых молодых кратеров на Церере. Он имеет яркую окраску на ободе и стенах, что может быть солевыми отложениями. Его плоское дно, вероятно, сформировалось от воздействия расплава и космического мусора. Кратер Kupalo насчитывает 16 миль (26 км) в поперечнике и расположен в южной части средних широт, а назван так в честь славянского бога растительности и урожая. НАСА/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

В 2010 году телескоп WISE НЕО обнаружил один из таких земных троянских астероидов ТК7 (2010). Эти астероиды интересны для науки не только с точки зрения их происхождения, но также потому, что при проведении местных геологоразведочных работ на них могут быть обнаружены возможные месторождения золота, в связи с этим они являют потенциальную недвижимость на случай колонизации человеком. Эти регионы по-прежнему необходимо картировать, хотя их расположение по отношению к Земле и Солнцу создаёт трудности для проведения наблюдений посредством связанных с Землёй телескопов. Специальный разведывательный космический полёт поможет оценить характер этих регионов до того, как предпринять более амбициозную миссию.

В поисках происхождения летучих веществ в Солнечной системе в марте 2015 года на Цереру был запущен космический корабль Dawn, чтобы провести геологическое и композиционное отображение её поверхности. Dawn достигнет своей низшей и конечной высоты орбиты отображения в середине декабря 2015 года. Плотность этой протопланеты, известной с 1980-х годов, представляет собой нечто среднее между льдом и твёрдой породой. Этот факт допускает наличие воды в объёме около 25% от массы.

Структура этой воды («свободной» по отношению к структуре силикатов) пока не известна, но миссия Dawn решит и этот вопрос. В декабрьском номере журнала Nature, были опубликованы предварительные результаты, которые свидетельствуют о наличии гидратированных силикатов на поверхности Цереры и, в частности, наличие аммонизированной глины, то есть глины, содержащей аммиак в своей структуре.

Ещё ряд результатов указывает на наличие гидратированных солей в известных ярких пятнах кратера Occator. Эти наблюдения позволяют предположить обилие воды на Церере, доступной для будущих исследователей. Другие объекты в основном поясе напрямую указывают на наличие воды в виде льда на своей поверхности. Это касается крупнейшего представителя семейства Фемиды, что является ядром большого тела, разрушенного во время сильного удара.

Астрономические наблюдения показали участок льда примерно несколько сотен метров в поперечнике. Данное обстоятельство даёт нам возможность предположить, что водяной лёд может быть общим во внешней части главного пояса, но наблюдается редко, потому что он защищён от быстрой сублимации изолирующим слоем реголита. Лёд может высвобождаться в результате малых воздействий, которые, как мы полагаем, происходят с частотой около тысячи лет.

Космический аппарат НАСА OSIRIS-REX (происхождение, спектральная интерпретация, идентификация ресурсов, высоконадёжный зонд для исследования поверхностных слоёв). Это первая миссия США для забора образцов астероида и доставки их на Землю для изучения. Запуск запланирован на сентябрь. НАСА

В 2015 году для изучения распределения льда во внешней части главного пояса были предложены, но не подтверждены две концепции космического полёта: миссия Castalia, предложенная ЕКА, и миссии Proteus, предложенная НАСА.

Они были предназначены для решения вопроса по освоению этих комет основного пояса. Данные объекты были обнаружены около десяти лет назад. Они, как правило, связаны астероидами двух семей: Гигии и Фемиды. Наличие дегазации было установлено в виде струй пыли.

Летучая активность была выведена из зависимости между уровнем активности и расстоянием этих объектов до Солнца, как они развиваются на эксцентричной орбите. Космический полёт на эти объекты может предоставить важную информацию о температуре, при которой лёд образуется, что приведёт нас к лучшему пониманию масштабов миграции летучих веществ в Солнечной системе.

В настоящее время мы также понимаем, что фрагменты околоземных объектов, бывших астероидов, выбрасываемых в направлении внутренней Солнечной системы, являются результатом резонансов в главном поясе. Следовательно, эти объекты не только являют площадку для колонизации человеком, но их исследование предоставляет возможность для более глубокого понимания происхождения и распределения летучих веществ во внутренней Солнечной системе.

В основе трёх космических полётов, которые находятся в стадии разработки или недавно запущенных, лежат разведывательные наблюдения для освоения человечеством космического пространства и естественно-научный интерес. После успешной миссии Hayabusa, в ноябре 2014 года, запущен космический аппарат Hayabusa-2, который будет собирать образцы богатой водой поверхности астероида, чтобы доставить их на Землю.

Видение художника: факел водяного пара на Европе . НАСАJLP

Космический корабль OSIRIS-REx готовится к запуску в 2016 году, он был выбран в рамках программы НАСА «Новые рубежи». Он обеспечит подробное получение характеристик, а также доставит образцы. Третий космический полёт Scout CubeSat на астероид в область околоземной орбиты на данный момент находится в стадии разработки в рамках Программы НАСА «Освоение человечеством космического пространства». Он должен достичь 10-метрового астероида в 2022 году для детальной характеризации его поверхности.

Обширные ресурсы во внутренней части Солнечной системы неизбежно откроют границы внешней Солнечной системы. Заглядывая в будущее, когда станут возможными и общедоступными путешествия по всей Солнечной системе, ресурсы космического пространства станут несоизмеримы: от колец Сатурна до Энцелад с их гейзерами, из океана Европы до углеводородных озёр Титана. И основной смысл опять же состоит в том, чтобы найти воду.

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Searching for water in the Solar System
 журнал ROOM №1 (7) 2016