Идея, что Марс обитаем, не оставляла землян с середины ХIХ века — ровно с того момента, когда астрономы хорошенько разглядели Марс в телескоп. Они увидели на Марсе белые полярные области и решили, что они, как и на Земле, покрыты льдом. Ровные темные линии наводили на мысль о рукотворных каналах, а темные пятна, по аналогии с Землей, стали марсианскими джунглями и океанами.

Но исследования, проведенные в рамках американских, российских и европейских программ по изучению Марса, развеяли эти иллюзии. Первые успешные марсианские экспедиции 70-х годов прошлого столетия отправили на космических аппаратах Viking-1 и Viking-2 приборы, которые проанализировали марсианский грунт на наличие микроорганизмов. Их исследования открыли землянам печальную истину: жизни в земном понимании на Марсе нет. Приборы не нашли на поверхности планеты ни бактерий, ни микроорганизмов, ни условий, мало-мальских пригодных для их существования. Да и сама планета оказалась негостеприимной: атмосфера на Марсе состоит в основном из углекислого газа, давление ниже земного примерно в 160 раз, средняя температура около -50 градусов по Цельсию, так что человеческий организм не сможет выжить на Марсе без скафандра, герметично закрывающегося помещения и поддержки с Земли. Пыльные бури, высокий уровень ионизирующей радиации на поверхности планеты плюс при перелете участник марсианской экспедиции получит дозу радиации, равную 330 миллизивертам — это третья часть предельной дозы, набираемой астронавтом за всю его карьеру. Стало очевидным, что наскоком «взять Марс» не получится, и нужны долгие и кропотливые исследования.

Все, что мы сейчас знаем о Марсе, мы знаем благодаря телескопическим исследованиям и данным, полученным с помощью научных приборов орбитальных станций и марсоходов. С 1960 по 2013 год на Марс было отправлено 43 миссии, из которых 18 признаны успешными, а две — частично успешными.

Сейчас на орбите Марса работает пять орбитальных аппаратов (Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter, MAVEN, Mars Express и Mars Orbiter Mission, или Mangalyaan), а поверхность Марса изучают два марсохода — Opportunity и Curiosity. В октябре текущего года к ним присоединится аппарат ТГО (Trace Gas Orbiter, TGO) миссии «ЭкзоМарс-2016»: аппарат несет четыре научных прибора и посадочный модуль «Скиапарелли» (Schiaparelli).

«ЭкзоМарс» - объединенный проект Европейского космического агентства и Роскосмоса. Он включает в себя два этапа: первым стал запущенный 14 марта 2016 года «ЭкзоМарс-16», второй - «ЭкзоМарс-20» (ранее был назначен на 2018 год, о переносе миссии на 2020 год было официально объявлено в начале мая 2016 года). Основные задачи миссии - изучение малых газовых примесей атмосферы, в том числе распространение метана, поиск следов вулканической активности, картирование распространенности воды в верхнем слое грунта с высоким пространственным разрешением, мониторинг радиационной обстановки, разведка районов посадки и ответ на вопрос: являются ли условия на поверхности Марса теоретически пригодными для существования жизни.



Участие российской стороны в первом этапе миссии заключается в предоставлении ракеты-носителя «Протон» для вывода аппаратов на траекторию полета к Марсу и в установке на борту марсианского спутника научных приборов. Сейчас на пути к Марсу находится четыре научных прибора: российский нейтроный детектор ФРЕНД (FREND, Fine Resolution Epithermal Neutrons Detector), российский спектрометр АЦС (ACS – Atmospheric Chemistry Suite), европейский спектрометрический комплекс NOMAD (Nadir and Occultation for Mars Discovery) и европейская стереокамера CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System). Планируется, что в октябре ТГО и «Скиапарелли» достигнут Марса и разделятся: «Скиапарелли» отработает новую технологию входа в атмосферу и прорепетирует мягкий спуск на поверхность планеты, а ТГО начнет долгий выход на орбиту Марса.

Журнал «Редкие земли» расспросил о российских научных приборах их создателей: заведующего отделом «Ядерная планетология» ИКИ РАН, доктора физико-математических наук Игоря Георгиевича Митрофанова и главного специалиста лаборатории экспериментальной спектроскопии Отдела физики планет и малых тел Солнечной системы ИКИ РАН Александра Юрьевича Трохимовского.

РЗ: Что мы рассчитываем сейчас найти на Марсе? Для чего был нужен запуск «ЭкзоМарса»?



Игорь Георгиевич Митрофанов:
Есть два самых главных вопроса, на которые должны ответить и эти два аппарата, и в целом вся марсианская программа, которой занимаются в разных странах: это, во-первых, сакраментальный вопрос о жизни на Марсе, или была ли она когда-то на Марсе, или были ли когда-то условия на раннем Марсе, аналогичные тем условиям, при которых на ранней Земле образовалась жизнь. Второй вопрос — это эволюция марсианской природной среды. Известно, что ранний Марс был очень похож на раннюю Землю, у них были практически аналогичные природные условия. Земля развивались, скажем так, достаточно успешно и сохранилась как благоприятная для жизни планета. Марс, вероятно, испытал гигантскую катастрофу, в результате которой утратил те свойства, которыми он обладал в раннем возрасте. Сейчас это холодная планета без магнитного поля и с тонкой атмосферой. Выяснить, каким образом происходила такая «деградация» Марса, какие процессы с этим связаны - вторая задача марсианских исследований.




Александр Юрьевич Трохимовский:
Мы рассчитываем очень существенно уточнить наши о нем знания. Задача такая, как поиск чего-либо, да/да ли нет/нет — слишком узкая. В первую очередь всегда все говорят, что «ЭкзоМарс — это атмосферные исследования», и упоминают метан, потому что метан может быть признаком какой-то биологической составляющей. Но даже измерения метана не ставятся так — «есть он или его нет»: важна его количественная составляющая. Все прежние проведенные измерения позволяли говорить о наличии или отсутствии с определенной погрешностью. Теперь новая аппаратура (которая сейчас летит к Марсу) позволит это уточнить в десятки и сотни раз. Поэтому, если предыдущие научные работы работы говорили, что «мы можем утверждать, что метан если и есть, то не больше чем столько-то», то теперь «если метан есть, то мы его видим с такой-то точностью». Если мы говорили в частности, про метан, об измерениях с точностью один ppb (она часть на на миллиард), то сейчас мы переходим к точностям десятки ppt (одна часть на триллион) — это в 100 раз лучше.

РЗ: Раз нас интересует жизнь на Марсе, почему нельзя сразу послать туда биологическую лабораторию и искать микроорганизмы? Что мешает сразу приступить к биохимической стадии исследования?

Игорь Георгиевич Митрофанов:
Я думаю, что этот этап исследователи Марса уже прошли. Попытка понять, есть ли на современном Марсе примитивная жизнь, была реализована в конце 70-х годов прошлого века аппаратами «Viking-1» и «Viking-2». Эта первая попытка была основана на представлении, что если на планете есть жизнь, что она должна быть везде, так, как на Земле. На Земле есть биосфера, и фактически на каждом участке поверхности Земли так или иначе можно найти признаки существования жизни. Исследования проекта Viking были проведены, и о наличии жизни был получен отрицательный ответ (правда, до сих пор продолжаются споры о том, насколько адекватны были эти приборы и насколько доказательны полученные результаты). Стало понятно, что если на Марсе и существовала жизнь, или существует сейчас, то это не такая мощная биосфера, как на Земле. Может быть, на раннем Марсе были какие-то самые примитивные организмы, от которых не осталось никаких следов после того, как они погибли. Но если и сейчас на Марсе есть такие примитивные организмы, то, вероятно, они населяют локальные оазисы, а не образуют глобальную биосферу. Если такие оазисы есть, то где они находятся, как к ним подобраться, в каком месте их надо искать? И то, что сейчас мы делаем — это поиск возможных оазисов, то есть районов, которые бы имели свидетельства о том, что в них когда-то была жизнь, или о том, что и сейчас она может в них существовать. Но то, что можно сказать практически определенно — там нет такой мощной биосферы, как на Земле, где жизнь можно искать практически в любом месте. На Марсе такой подход неприемлем.

РЗ: Получается, что на вопрос «Есть ли жизнь на Марсе?» мы уже получили ответ?

Игорь Георгиевич Митрофанов:
То, что нет жизни в масштабах всей планеты, и что нет такой биосферы, как на Земле — это можно сказать наверняка. Но есть конкретная загадка, которую должен разрешить тот проект, с которым мы сейчас летим к Марсу на спутнике ТГО. Она заключается в следующем. Есть такой газ — метан, который в земной биосфере имеет биологическое происхождение, но он также может возникать в различных геохимических процессах в недрах планеты. У метана есть важное свойство: в атмосфере Марса он не может долго существовать, его время жизни под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения достаточно короткое — порядка нескольких земных лет. И этот метан иногда находят в некоторых районах Марса, он там присутствует, а потом пропадает. Получается, что атмосфера Марса является активной физико-химической средой. В нее каким-то образом попадает метан, и мы не понимаем, что является его источником. Если это какие-то физико-химические процессы в недрах планеты, то получается, что эти процессы происходят сейчас и Марс не является замерзшей, остывшей и погибшей планетой. А если вдруг окажется, что имеет место биологический процесс образования метана, то тогда это еще более интересно, и тогда надо искать те оазисы, в которых этот метан образуется. Проект «ЭкзоМарс» направлен на сбор и анализ данных об атмосфере Марса, выяснение происхождения метана, его природы, и это даст отчасти ответ на вопрос о существовании на Марсе оазисов жизни.



РЗ: Какие приборы будут искать на Марсе метан?

Игорь Георгиевич Митрофанов:
Два прибора: российский АЦС, который сделан в нашем институте под руководством Олега Игоревича Кораблева, и НОМАД, который сделали европейские ученые. Оба прибора будут изучать состав атмосферы методом измерения спектра на просвет, и оба эти прибора взаимодополняют друг друга. И главное здесь не только обнаружить метан — я думаю, они его найдут, — важно изучить поведение, концентрацию, зависимость от времени, и в каких местах наблюдаются повышенные концентрации. Откуда он попадают в атмосферу. И вот в этом может помочь наш прибор ФРЕНД, потому что этот нейтронный телескоп будет как раз искать районы на поверхности Марса с повышенным содержанием воды. Если связывать, например, возможные примитивные формы жизни с водой, то тогда получается, что признаком оазисов является повышенное содержание грунтовой воды. И если окажется, что в атмосфере над этими районами также наблюдается повышенное содержание метана — это очень сильный аргумент в пользу того, что на современном Марсе происходят процессы в грунте, в которых в присутствии воды вырабатывается метан. Четвертый прибор — это оптический телескоп с высоким пространственным разрешением, который будет изучать структуру поверхности, и это тоже очень важно и полезно для того, чтобы понимать, что происходит на современном Марсе, какие возможные геологические структуры можно связать с повышенным содержанием метана и повышенным содержанием воды. Вот эти четыре прибора сейчас летят к Марсу.

РЗ: На Марсе сейчас работает уже два таких детектора, на Mars Odyssey и на Curiosity?

Игорь Георгиевич Митрофанов:
Да, у нас тут совсем недавно был знаменательный момент: в ночь с 14 на 15 апреля 2016 года все приборы нашего отдела, которые сейчас работают в космосе, суммарно достигли общей продолжительности работы 35 лет. У на сейчас работает прибор ХЕНД на орбитальном аппарате Mars Odyssey, и именно с этим прибором мы в 2002 году смогли обнаружить большое содержание воды в грунте Марса. Сейчас также работает на поверхности Марса наш прибор ДАН на борту марсохода Curiosity. Он занимается локальным изучением распространенности грунтовой воды - он измеряет, какое количество воды находится в конкретных районах вдоль трассы движения марсохода через каждые два-три метра.



ФРЕНД — это орбитальный прибор, продолжающий ту линию ядерно-физических исследований, которую начал ХЕНД. Главное отличие ФРЕНДА заключается в том, он сможет построить карту распространенности воды под поверхностью с высоким пространственным разрешением. На ХЕНДе мы регистрировали нейтроны от всей поверхности от горизонта до горизонта — летим по орбите и смотрим сразу всю видимую часть планеты. По данным ХЕНДа мы построили карту тех районов на Марсе, где находится много воды, но пространственное разрешение этой карты составляет 300-400 километров. В этом случает не удается отыскать оазисы, поискать их соотношение с геологическими структурами. А у ФРЕНДа пространственное разрешение будет порядка 40 километров. То есть мы фактически сможем проводить гидрологическую геологоразведку Марса: где конкретно есть воды, в каком кратере, чем один кратер отличается от другого, один каньон от другого — словом, можем соотносить содержание воды с геологическими структурами. И если где-то прибором АЦС будут наблюдаться облака метана, то мы, благодаря высокому пространственному разрешению прибора ФРЕНД сможем сказать, насколько те районы, в которых обнаружен метан, совпадают или не совпадают с районами, где мы видим под поверхностью высокое содержание воды. Поэтому главное продвижение нашей технологии — это то, что мы повысили по линейному масштабу в 10 раз и по площади поверхности — в 100 раз пространственное разрешение тех карт, которые мы надеемся получить по данным прибора ФРЕНД.

РЗ: Прибор АЦС ищет только метан?

Александр Юрьевич Трохимовский:
Нет, аппарат создан для комплексных исследований. В состав комплекса входит три прибора. Почему три? Делать один универсальный спектрометр, охватывающий весь спектральный диапазон, очень сложно. Поэтому мы спектральный диапазон разбиваем на части: ближний ИК-диапазон, средний ИК-диапазон и тепловой ИК-диапазон, и для каждого из них делаем хороший спектрометр, заточенный под конкретные научные задачи. По измерению спектра в инфракрасной области можно дистанционно устанавливать много всего интересного: например, состав атмосферы, который включает десятки газов, наблюдение их профиля на высоте и распределение по поверхности. Поскольку миссия будет продолжаться длительное время, мы сможем исследовать, как меняется распределение газов в течение года, сезона и суток. Также мы видим всю структуру атмосферы: профиль температуры, профиль давления, содержание и состав аэрозолей, пылевые бури на Марсе — все это вместе будет изучать наш прибор АЦС, который сейчас вовсю летит к Марсу.



Есть два основных режима наблюдений. Первый - когда прибор смотрит сверху вниз прямо на Марс. При этом прибор меряет сразу весь столб атмосферы, и видит все, что в нем есть. В некоторых диапазонах он видит до поверхности, в некоторых до поверхности не добивает, но в основном он почти всегда видит до поверхности планеты: все-таки атмосфера там жиденькая. Второй режим наблюдений связан с солнечными затмения. Представьте себе, что аппарат смотрит на Солнце, и тут на пути взгляда на Солнце начинает появляться марсианская атмосфера. Наш луч зрения опускается туда, начинает задевать атмосферу. Это режим очень чувствительный, он в сотни тысяч раз более чувствительный, чем когда мы смотрим просто вниз, но при этом не может добить, как правило, до самой поверхности — сигнал начинает гаснуть и на десяти километрах уже заканчивается. Но это никого не смущает, потому что все самое интересное происходит на высотах от 10 до 60 километров.

РЗ: Насколько точно ваш прибор сможет привязать это появление метана к поверхности?

Александр Юрьевич Трохимовский:
Очень точно, потому что есть привязка по времени, и по ориентации, это миллисекундные точности и сотни метров. Ведь на аппарате стоит еще и камера европейская (CaSSIS), она умеет фотографировать с разрешением десятки и сотни метров. Вторая часть нашего эксперимента — наземная обработка. Все подобные дистанционные методы исследования подразумевают, что на Земле эти данные обрабатываются путем моделирования, анализа. Это огромная работа, которая будет делаться здесь же, в ИКИ, и она растягивается на годы, потому что всегда можно что-то улучшить и пересмотреть

РЗ: Как происходил отбор приборов для «ЭкзоМарса-16»? Почему были выбраны именно эти приборы?

Игорь Георгиевич Митрофанов:
Это связано с историей нашего участия в проекте «ЭкзоМарс».Изначально Европейское космическое агентство предполагало делать этот проект совместно с NASA. И на орбитальном аппарате ТГО, и на марсоходе должны были стоять американские приборы. Затем американцы отказались от участия в этом проекте. У ЕSA не было возможности осуществить эту миссию самостоятельно, и оно обратились к «Роскосмосу» с предложением принять участие в этом проекте. Для нас это было весьма важное и ответственное решение. Я хочу напомнить, что и сейчас, в 2016 году, и в 2020 Россия должна будет предоставить тяжелые ракеты «Протон», чтобы запускать эти аппараты — и это достаточно серьезный вклад нашей страны. Но при этом мы здесь не выступаем в роли «космических извозчиков» — также важен и наш научный вклад. По сути, мы должны были «спасти» научную программу проекта и предоставить наши научные приборы вместо запланированных ранее американских приборов для аппарата 2016 года, который к тому моменту был уже в значительной степени разработан. Мы должны были предоставить наши приборы на очень высоком уровне готовности.

Поэтому, когда обсуждался вопрос о том, какие приборы может предложить Россия, то выбор определился степенью разработанности и надежности приборов, которые уже участвовали в других проектах и потому успевали попасть на борт ТГО. Например, наш прибор ФРЕНД — это доработка нашего нейтронного детектора ЛЕНД, который с 2009 года летает вокруг Луны на борту американской межпланетной миссии «Лунный разведывательный орбитер 2009» (LRO) для изучения распространенности воды в лунном реголите. Этот прибор стал основой для создания прибора ФРЕНД. Мы воспроизвели его с небольшими, но важными изменениями, так как европейцы дали нам больше места и массы на аппарате. Главное новшество прибора ФРЕНД — это высокое пространственное разрешение. Оное достигается благодаря тому, что детектор нейтронов окружен поглотителем нейтронов — коллиматором. Коллиматор представляет собой непрозрачную для нейтронов «подзорную трубу», внутри которого находятся все пять детекторов нейтронов. Внешняя часть коллиматора сделана из прочного полиэтилена, который затормаживает прилетающие от Марса нейтроны, а внутренняя — из порошка обогащенного бора, который поглощает эти замедлившиеся нейтроны. Коллиматор ограничивает поле зрения детекторов на поверхности Марса пятном диаметром 40 километров на поверхности планеты под спутником и как бы отсекает поток нейтронов, которые прилетают из направлений за пределами этого пятна.

Александр Юрьевич Трохимовский:
Выбор происходил так: одним глазом смотрели на наши навыки-умения, что мы можем сделать, вторым глазом на уже существующие научные разработки. Плюс обстоятельства времени, особенности расписания, потому что мы в проект подключились довольно поздно и сделали летную аппаратуру за 2,5 года — это очень быстро. Это, по сути, подвиг. Нормальное время разработки и изготовления аппаратуры такого уровня — это 4-5 лет. Но мы были обязаны, и, конечно, мы приложили все силы. Прибор делали целиком и полностью в ИКИ. Конечно, мы покупали что-то на стороне, электронные компоненты, оптические компоненты, но сборка, настройка плат, электроника, оптические проверки, калибровки — это все было здесь.

РЗ: В вашем приборе используются редкоземельные металлы?

Игорь Георгиевич Митрофанов:
Я этого не знаю. Конечно, они есть в тех электронных компонентах, которые мы использовали, чтобы создавать наши электрические схемы. И, конечно, все эти транзисторы и ПЛИСы у нас самые современные, но мы их покупали готовые. Как в компьютере: все, что надо в нем есть, но мы не знаем, что именно, потому что мы же его не изготавливаем электронные компонент сами.

Александр Юрьевич Трохимовский:
Да, наши детекторы, которые успешно работают в инфракрасном диапазоне, сделаны на базе индия-галлия-арсенида, и кадмия-ртути-теллура. Ну и на самом аппарате работают солнечные батареи, а прибор получает от него питание.

РЗ: Когда вы планируете получить первые научные данные?

Игорь Георгиевич Митрофанов:
Мы начнем работу по картографированию примерно в конце 2017 года. Это связано с особенностями выхода аппарата ТГО на марсианскую орбиту, так называемым эффектом аэроторможения (аэробрейкинг). Сначала ТГО будет летать вокруг Марса сильно вытянутой эллиптической орбите «захвата» с периодом обращения около 4-х дней. Затем начнется этап «аэроторможения», когда, подлетая близко к Марсу по эллиптической орбите, аппарат будет чиркать по поверхности атмосферы, и при каждом таком пролете немного тормозить. В результате эллиптическая орбита будет постепенно скругляться.

Этот длительный процесс займет около года: он нужен для того, чтобы перейти на низкую круговую орбиту наклонением 70 градусов и высотой над поверхностью около 400 километров. Это означает, что приборы ТГО будут видеть всю территорию планеты между 70-м градусом северной широты и 70-м градусом южной широты. Спутник будет летать вокруг Марса, сканируя его поверхность, а мы будем накапливать статистику отсчетов от каждого элемента поверхности, так называемого пикселя. Мы будем постепенно заполнять пиксели на карте данными измерений, и у нас, как раньше когда-то при проявлении фотоснимков, в эпоху древней фотографии, будет постепенно, в течение месяцев, строиться подробная карта распространенности воды. Я думаю, что первую карту мы сможем показать научной общественности где-то в 2020 году, когда полетит посадочный аппарат «ЭкзоМарс-20».

Александр Юрьевич Трохимовский:
Сейчас, пока мы летим, у нас проводятся калибровочные включения. Первые калибровки уже были, мы их получили, посмотрели, вторая серия таких калибровок была в июне. Мы все еще летим. В октябре мы к Марсу подлетаем, и два месяца вокруг него на такой промежуточной орбите находимся. Сейчас идут разговоры о том, чтобы позволить научной аппаратуре поработать там сразу, с октября по декабрь. Но там не будет, к сожалению, затмений: орбита такова, что можно будет только просто смотреть на Марс. После этого начинается так называемый аэробрейкинг, когда орбита будет из промежуточной превращаться в уже итоговую. Там мы точно работать не будем, и сколько продлится аэробрейкинг, точно неизвестно, потому что это нечто новое. Я думаю, что раньше середины 2017 года мы не выйдем на штатную орбиту. Первые данные мы очень надеемся получить в конца октября, на промежуточной орбите. А данные с номинальной научной орбиты будут не раньше, чем через год.

Текст - Наталия Ферапонтова.