Фото: NASA/JPL-Caltech/MSSS

В новых образцах, взятых на прошлой неделе, лазерный спектрометр Sample Analysis at Mars (SAM) марсохода Curiosity обнаружил аномально высокий уровень метана в атмосфере (пресс-релиз NASA опубликован в субботу). Сейчас команда марсохода организует повторное измерение, чтобы подтвердить этот результат: примерно 21 часть на миллиард по объёму (ppbv). Подтверждение должно поступить в понедельник, то есть сегодня.

Метан выделяется не только в ходе геологических процессов, но и как результат жизнедеятельности организмов, поэтому результаты NASA быстро привлекли внимание широкой общественности, статья вышла в NY Times ещё до официального пресс-релиза NASA.

«Учитывая этот удивительный результат, мы реорганизовали выходные, чтобы провести последующий эксперимент, — сказал Ашвин Р. Васавада (Ashwin R. Vasavada), учёный проекта миссии Curiosity. В пятницу марсоходу отправлены новые инструкции, а результаты ожидаются сегодня.

«Для сохранения научной целостности, — сказал представитель агентства, — научная команда проекта продолжит анализировать данные, прежде чем подтвердить результаты».

На Земле метан, в основном, является побочным продуктом различных жизненных процессов: его выделяют одноклеточные микроорганизмы и млекопитающие (в ходе пищеварения). Это взаимосвязанные вещи, поскольку газ производят бактерии в кишечнике.

Теоретически, метан на Марсе тоже может иметь биологическое происхождение. До сих пор учёные не нашли никаких признаков жизни на поверхности Красной планеты. Под поверхностью, однако, могут жить бактерии и другие микробы, глубоко в марсианской почве, где их невозможно увидеть. Мы можем узнать об их наличии только по присутствию метана в атмосфере. Если бактерий много, то метан пробьётся через почву в атмосферу — и его можно будет обнаружить.

Другой источник метана — геологические процессы. Так называемый «абиотический» метан получается в результате естественных химических реакций между водой и породами, состоящими, по крайней мере частично, из углерода. Эти очаги газа тоже просачиваются через горные породы и почву на поверхность, где происходят похожие выбросы.

Загадка марсианского метана

Одна из важных особенностей метана заключается в том, что он очень быстро разрушается, как только достигает атмосферы и подвергается воздействию солнечного света. Обычно всего за несколько столетий. Геологически это ничтожное время. Значительные уровни метана в атмосфере означают, что его источник не старше нескольких столетий.

Если источником метана являются микробы, то очень маловероятно, что они вымерли в течение нескольких столетий. Поэтому если найденный метан имеет биологическое происхождение, то это будет очень сильным доказательством активной биосферы.

С учётом этих факторов в 2003 году Центр космических полетов Годдарда NASA запустил исследовательский проект по поиску метана на Марсе — и вскоре они сделали поразительное открытие. Используя два набора наземных телескопов вместе с марсианским орбитальным аппаратом, они увидели массивные шлейфы метана на поверхности Марса, с плотностью до 45 частей на миллиард (статья в Science).


Пятна метана на Марсе с плотностью до 45 частей на миллиард, измерения 2003 года

Учёные под руководством доктора Майкла Муммы (Michael Mumma) отслеживали метановые шлейфы около двух лет, пока они не исчезли: в 2005 году концентрация упала ниже порога чувствительности инструментов NASA. Поскольку этот метан должен был сохраняться в атмосфере на протяжении веков, это привело Мумму и его коллег к необычному выводу, опубликованному в научной статье 2009 года: что-то на Марсе производит большое количество метана, а что-то другое разрушает его почти сразу же, как только он произведён. Такого явления нет на Земле.

Curiosity должен был помочь в решении этой загадки, поэтому учёные с нетерпением ожидали его запуска. Марсоход оснастили инструментами с чувствительностью от 6 частей на миллиард. Неудивительно, что Curiosity сразу после посадки в 2012 году начал проверять атмосферу на метан. Тут же появилось радостное известие, что метан обнаружен. Но вскоре стало понятно, что это следы земной атмосферы, которую марсоход привёз с собой. Рессеяв земную атмосферу вокруг марсохода, учёные снова провели измерения — и уже никакого метана там не осталось.

Порог в 6 частей на миллиард очень важен. Он означает, что весь метан из шлейфов Муммы с концентрацией 45 частей на миллиард равномерно распределился по марсианской поверхности, чего естественно было ожидать. Команда Curiosity перенастроила спектрометр для обнаружения метана от 1,3 частей на миллиард, и всё равно не нашла ровным счётом ничего.

Исследовательские данные доктора Муммы от 2003 года были основным источником разногласий в течение многих лет с тех пор, как он и его команда опубликовали свои выводы. Поэтому данные с лазерного спектрометра Curiosity от 2013 года, что метана в атмосфере нет вообще (не более 1,3 частей на миллиард), стали серьёзным ударом по научной репутации исследователей. Эти данные положили конец надеждам бесчисленных учёных (и неучёных), что Марс может быть домом для активной биосферы микробов.

Сами научные результаты 2003 года с тех пор многие практически перестали воспринимать всерьёз, хотя сам д-р Мумма упорно стоял на своём и говорил, что метан был быстро уничтожен. При этом он сам не мог сказать, какие образом. В интервью NY Times от 2013 года он только шутил, что на Марсе может обитать большое количество микроорганизмов, которые питаются метаном.

Для вcех, кто продолжал верить в существование метана на Марсе и в результаты наблюдений 2003 года, причина его внезапного исчезновения оставалась загадкой. «Марс, возможно, работает по-другому, — говорил д-р Сушил Аттрейя (Sushil K. Atreya) из Мичиганского университета, — Это загадка».

Д-р Мумма заявил, что результаты Curiosity не противоречат его статье 2009 года с теорией быстрого распада метана: «Эти результаты на самом деле согласуются с нашими результатами. Мы сообщили, что выбросы метана, вероятно, будут спорадическими и что метан быстро удаляется из атмосферы».

Некоторые другие учёные не соглашались с такой теорией. Они говорили, что метан — хорошо изученный газ, процесс разрушения которого длится десятилетиями.

Команда Curiosity затем опубликовала научную статью, которая прямо оспаривает утверждение Муммы 2009 года о том, что метан должен разрушаться с ускоренной скоростью на Марсе каким-то неизвестным процессом. Они заключают: «С ожидаемым фотохимическим временем жизни метана в марсианской атмосфере в сотни лет в настоящее время не остается приемлемого объяснения существования и распределения зарегистрированных шлейфов, а также очевидного исчезновения метана за последние несколько лет».

Соавтор научной статьи Кристофер Вебстер (Christopher R. Webster) из NASA JPL и команды Curiosity уверен, что никакого метана там никогда и не было: «Каждый раз, когда мы проводили измерение, мы ничего не регистрировали», — говорил он в комментарии The Independent, Позже в интервью Science Magazine он сказал, что теория Муммы «требует неизвестной физики и химии». Причём по этому последнему пункту д-р Мумма полностью согласен с оппонентом, так как это было логическим выводом из его статьи 2009 года.

Д-р Аттрейя, соавтор статьи 2013 года, сказал в пресс-релизе NASA: «Метан не может быстро исчезнуть из атмосферы. Метан стойкий. Он будет сохраняться в атмосфере Марса сотни лет. Не имея способа быстрого вывода из атмосферы наши измерения показывают, что в атмосферу не было введено много метана никаким механизмом, будь то биология, геология или ультрафиолетовая деградация органических веществ, доставленных падением метеоритов или межпланетных пылевых частиц».

В принципе, многие учёные пришли к определённому консенсусу, что метана в атмосфере Марса, скорее всего, никогда и не было. Однако в 2013 году, ещё до публикации научной статьи с «разоблачением» метановых шлейфов, произошло ещё одно любопытное событие. Команда Curiosity ещё раз перенастроила лазерный спектрометр, увеличив чувствительность к метану до 0,7 частей на миллиард. И в июле 2013 года, всего за несколько месяцев до публикации статьи команды Curiosity, марсоход впервые обнаружил следы метана в атмосфере.

Но 0,7 частей на миллиард — слишком незначительный уровень, чтобы это имело какое-то значение. Всем и так было понятно, что на Марсе будет обнаружен какой-то метан. Он является побочным продуктом химических реакций в атмосфере, поскольку падающая космическая пыль взаимодействует с ультрафиолетовым излучением Солнца, производя фоновый уровень метана в воздухе: это и есть метановый «потолок» (ceiling) в статье, которую команда Curiosity опубликует несколько месяцев спустя. Однако этот «потолок» также указывал на наличие некоего процесса в атмосфере, который разрушает метан быстрее, чем Солнце само по себе.

Примерно в то же время был зарегистрирован уровень метана вдвое выше, чем предполагаемый потолок, но который упал вдвое примерно за неделю. Предел погрешности показаний затруднял точное определение происходящего. Не имея возможности определить более низкий, чем ожидалось, уровень фонового метана и аномальный всплеск в показаниях Curiosity, учёным оставалось признать факт отсутствия значительных уровней метана на Марсе.

Марсоход Curiosity продолжал свою миссию, медленно продвигаясь к горе Шарп и выполняя другие важные тесты по пути; но в течение следующих четырёх месяцев не производил других измерений.

Затем, в ноябре 2013 года, — всего через два месяца после официального объявления, что Curiosity не нашел метана на Марсе и довольно грубого научного удара на страницах научно-популярных изданий по группе д-ра Муммы — команда Curiosity дала команду на проведение ещё одного измерения атмосферы.

Только что опубликовав статью, в которой говорилось, что на Марсе нет метана, и неоднократно отвергая идею о том, что локализованные всплески метана периодически появляются на поверхности — команда Curiosity была ошеломлена увиденным.


Район около горы Шарпа, где Curiosity обнаружил 7 частей метана на миллиард в ноябре 2013 года. Фото: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Curiosity прислал им настоящую бомбу. Он обнаружил десятикратный всплеск концентрации метана, показав около 7 частей на миллиард.

Показания подтвердились в течение следующих двух месяцев, показывая стабильно высокие уровни метана, прежде чем быстро упасть ниже 1 части на миллиард в январе 2014 года. Это было похоже на массивное облако метана, которое словно взорвалось над марсоходом: можно даже назвать это метановым шлейфом. Новые показания были далеко за пределами погрешности и ясно указывали: что-то на Марсе производит научно значимое количество метана. Это было первое прямое доказательство того, что на Марсе может быть активная биосфера.

Учитывая, что в период с июля по ноябрь 2013 года не было проведено никаких измерений, возможно, газовый карман с метаном, зарегистрированный командой Curiosity, был даже больше, чем отражали измерения. Доктор Аттрейя сказал Times в 2014 году, что если аномальные показания, которые команда Curiosity увидела в июле, были фактическими измерениями всплеска метана, эти показания могли быть частью того же облака метана, которое они нашли в ноябре, взятого как раз тогда, когда газовое облако начало дрейфовать над марсоходом Curiosity, когда он сидел в кратере Гейла: «Возможно, прошло больше полугода, — сказал он, — но мы этого не знаем».

Как бы долго ни задерживался газовый карман, его быстрое появление и последующее исчезновение указывает на внезапный выброс метана, что согласуется с выводами команды д-ра Муммы десятилетием ранее.

Таким образом, теория д-ра Муммы 2009 года снова возвращается к жизни. А именно, нечто производит метан в марсианской почве, а затем он быстро разрушается в атмосфере в ходе неизвестного физического или химического процесса.

Новые измерения Curiosity подтверждают эту теорию, причём сейчас выброс метана (если это не ошибка) зафиксирован в ещё большей концентрации: 21 часть на миллиард.

Новые открытия «подтвердили эту поразительную реальность, что метан выделяется спорадически, и он быстро разрушается. Оба события удивительны», — сказала д-р Мумма в интервью 2014 года, когда Curiosity зафиксировал первый метановый выброс. В течение года его работы высмеивались, но в итоге репутация учёного была полностью восстановлена.

Является ли метан на Марсе абиотическим или биотическим, он определенно есть, и это странно. Его присутствие также говорит что-то новое о Марсе, чего мы не знали до того, как д-р Мумма впервые обнаружил его в 2003 году.

В то время как возбуждение масс сосредоточено на мысли, что это биотический метан, но даже абиотический метан указывает, что под поверхностью могут быть огромные резервуары подземных вод, взаимодействующие с углеродсодержащими горными породами и под интенсивным нагревом.

Более того, если залежи подземных вод соприкасаются с горячими углеродсодержащими породами и при этом производят метан, эти подземные резервуары могут содержать геотермальные или даже гидротермальные источники, которые, по мнению многих, являются эпицентром зарождения микробной жизни на Земле. То же самое может быть и с Марсом, так что они будут именно тем местом, где имеет смысл начать поиск жизни.



За пять лет измерений это первый с 2014 года выброс метана. Но интересен ещё один факт. Производя всё это время замеры, Curiosity обнаружил изменения фонового уровня метана с течением времени между 0,5 частями на миллиард и 1,5 частями на миллиард. Это позволяет отслеживать времена года на Марсе, то есть там тоже есть осень, зима, весна и лето! «Это очень, очень увлекательно и загадочно», — сказал д-р Вебстер в комментарии NY Times в 2018 году.

UPD. Российских учёных «заинтриговало» обнаружение американским марсоходом Curiosity самого большого количества метана на Красной планете, они попытаются теперь обнаружить его российским прибором, установленным на европейском марсианском орбитальном аппарате TGO, сообщил руководитель отдела физики планет Института космических исследований РАН Олег Кораблёв: «За все время наблюдений с апреля 2018 года нашему спектрометру ACS не удалось зарегистрировать метан в атмосфере Марса. С учетом точности измерений прибора концентрация метана не превышает уровень в десять частиц на триллион. То есть примерно в 2 тысячи раз меньше, чем только что зафиксировал спектрометр TLS на Curiosity у поверхности Марса. Это загадка. Теперь мы ждем новых данных, полученных одновременно или после этого измерения Curiosity, — сказал Кораблёв. — Чувствительность нашего спектрометра очень высокая, и если даже если газ, распределившись в атмосфере, будет сильно разбавлен — мы всё равно его увидим».