Нейтронное сканирование выявило скрытую воду в метеорите с Марса: новый взгляд на гидросферу ранней планеты
Считалось, что Марс потерял всю свою воду миллиарды лет назад. Однако понимание того, как именно распределялась эта влага, в каких минералах она сохранялась и какую роль играла в формировании первичной коры, отсутствовало.
Недавнее исследование международной группы ученых, опубликованное на сервисе препринтов arXiv, предоставляет первые прямые доказательства существования крупных минералогических резервуаров воды в древнейшей марсианской коре. Инструментом открытия стал метеорит NWA 7034, также известный как «Черная красавица», и уникальный метод нейтронной визуализации.
Почему «Черная красавица» важна для науки
Метеорит NWA 7034 — это единственный образец на Земле, который представляет собой прямую пробу древней коры Марса. Его возраст составляет примерно 4,4 миллиарда лет, что соответствует Нойскому периоду — эпохе, когда на планете могла существовать жидкая вода и потенциально пригодные для жизни условия.
По своей структуре этот метеорит является брекчией. Это означает, что он состоит из множества разнородных фрагментов горных пород (кластов), сцементированных мелкозернистой массой — матрицей. В составе «Черной красавицы» ученые находят вулканические породы, осадочные включения и минералы, измененные под воздействием воды. До сих пор исследователи могли лишь косвенно предполагать наличие водорода в этом камне, основываясь на химических формулах минералов, видимых под микроскопом. Однако новое исследование позволило впервые увидеть распределение водорода во всем объеме образца, не разрушая его.
Ограничения рентгена и преимущество нейтронов
Стандартным методом изучения внутренней структуры метеоритов всегда была рентгеновская компьютерная томография (XCT). Она работает по принципу поглощения рентгеновских лучей электронами атомов. Чем тяжелее элемент (чем больше у него электронов), тем сильнее он ослабляет луч. Рентген идеально подходит для поиска металлов, плотных оксидов или трещин, но он практически бесполезен для поиска водорода. У атома водорода всего один электрон, поэтому для рентгеновского сканера он остается невидимым.
Для решения этой проблемы ученые применили нейтронную компьютерную томографию (NCT). В отличие от рентгеновских лучей, нейтроны взаимодействуют не с электронами, а с ядрами атомов. Физика этого процесса такая, что нейтроны сильно рассеиваются на ядрах водорода. Если в образце есть вода или гидроксильные группы (OH), нейтронный луч в этом месте будет ослаблен.
Комбинируя данные рентгеновского и нейтронного сканирования, исследователи получили возможность разделить минералы на категории. Если зона в камне сильно поглощает и рентген, и нейтроны — значит, там присутствуют тяжелые элементы в сочетании с водородом. Именно так ученые идентифицировали оксигидроксиды железа — минералы, которые образуются при взаимодействии железистых пород с водой.
Где именно скрывается марсианская вода
Исследование фрагмента метеорита размером 12x8x2 мм показало, что водород распределен в нем неравномерно. Он сосредоточен в нескольких крупных зонах, связанных с магматическими включениями. Эти зоны ученые назвали H-Fe-ox кластами.
Анализ показал следующие результаты:
- Локализация: водород находится не в общей массе метеорита, а в четко очерченных структурах. Эти структуры занимают всего 0,4% от общего объема камня.
- Концентрация: внутри этих включений содержание гидроксильных групп (OH) достигает 15% по массе. Это огромный показатель для марсианской породы.
- Общий вклад: несмотря на малый объем, эти включения содержат более 11% всей воды, которая присутствует в метеорите «Черная красавица».
Оказалось, что вода не просто присутствовала на поверхности в виде рек или озер, но и была глубоко интегрирована в состав первичной коры. Эти минералы работали как естественные хранилища влаги, удерживая ее внутри камня миллиарды лет.
Механизм формирования и связь с марсоходом Perseverance
Как вода попала внутрь этих камней? Ученые полагают, что процесс происходил в два этапа. Сначала образовались первичные магматические породы — богатые железом и титаном оксиды. Затем, под воздействием жидкой воды на поверхности или вблизи нее, эти минералы прошли процесс окисления и гидратации. Водород из воды встроился в кристаллическую решетку минералов, превратив их в оксигидроксиды (например, такие как гетит или лепидокрокит).
Этот вывод имеет прямое подтверждение на поверхности Марса. Сейчас марсоход NASA Perseverance работает в кратере Езеро. Приборы марсохода обнаружили там практически идентичные минеральные ассоциации — оксигидроксиды железа в составе местных пород.
Это сходство доказывает, что «Черная красавица» — типичный представитель марсианской коры того времени. Процессы взаимодействия воды с камнем, которые мы видим в метеорите, происходили в глобальном масштабе по всей планете. Это подтверждает гипотезу о том, что ранний Марс был богат водой, и эта вода активно участвовала в формировании его геологического облика.
Почему это важно для будущих миссий
Исследование имеет и прикладное значение. В начале 2030-х годов планируется реализация миссии Mars Sample Return (MSR). Это сложнейшая кампания по доставке на Землю образцов грунта, которые сейчас собирает марсоход Perseverance.
Эти образцы будут упакованы в герметичные титановые трубки. Когда они прибудут в земные лаборатории, перед учеными встанет вопрос: как изучить их содержимое, не вскрывая трубки и не подвергая древние камни воздействию земной атмосферы?
Метод нейтронной томографии, отработанный на метеорите NWA 7034, является идеальным решением. Нейтроны легко проходят сквозь стенки титановых контейнеров, но задерживаются на водороде и органических молекулах внутри. Это позволит ученым создать детальную трехмерную карту распределения воды и потенциальных биологических следов еще до того, как контейнеры будут распечатаны.
Заключение
Работа с метеоритом «Черная красавица» продемонстрировала, что современные физические методы позволяют проводить глубокую диагностику внеземного вещества без его повреждения. Мы получили прямое доказательство того, что 4,4 миллиарда лет назад марсианская кора содержала значительные запасы связанной воды.
Эти данные подтверждают, что ранняя история Марса была гораздо более динамичной и влажной, чем можно предположить, глядя на его нынешний пустынный ландшафт. Вода на Марсе не испарилась в космос — значительная ее часть осталась запертой внутри минералов, которые до сих пор могут составлять верхние слои планеты. Изучение этих минералогических архивов — наш единственный шанс понять, как Марс превратился из потенциально обитаемого мира в замерзшую пустыню.
Источник:arXiv