Мантру исследования Марса мы слышим уже больше десяти лет: следуй за водой. В новой работе, опубликованной 9 октября 2015 года в журнале Science, команда Mars Science Laboratory (MSL) представила результаты своих исследований, пытаясь не только следовать за водой, но и понять, откуда она пришла и сколько пробыла на поверхности Марса.

Эта история — история влаги: миллиарды лет назад Марс имел более массивную атмосферу, чем сейчас, и активную гидросферу, способную хранить воду в долгоживущих озерах. Команда MSL пришла к выводу, что эта вода помогла наполнить кратер Гейла, место приземления марсохода «Кьюриосити», с осадочными породами, которые легли в основу слоистого образования в виде горы, обнаруженной в центре современного кратера.

«Кьюриосити» изучает кратер Гейла, которому, по оценкам, от 3,6 до 3,8 миллиарда лет, с августа 2012 года. В середине сентября 2014 года марсоход достиг предгорья Aeolis Mons, пятикилометровой слоистой горы Шарпа, названной в честь покойного геолога Калифорнийского технологического института Роберта Шарпа. С тех пор «Кьюриосити» продолжает изучать эту гору.

«Наблюдения марсохода позволили предположить, что ряд долгоживущих потоков и озер существовал в определенный момент от 3,8 млрд до 3,3 млрд лет назад, наращивая осадки, которые медленно выстраивались в нижние слои горы Шарпа, — говорит Ашвин Васавада, ученый проекта MSL. — Тем не менее эта серия долгоживущих озер не предсказывается существующими моделями древнего климата Марса, в которых температура едва ли поднимается выше точки замерзания воды».

Это несоответствие между прогнозами древнего климата Марса, которые вытекают из моделей, разработанных палеоклиматологами, и свидетельств водянистого прошлого планеты, имеет сходства с вековой научной загадкой — только уже о прошлом Земли.

В определенный момент геологи начали признавать, что формы материков соответствуют друг другу, подобно разрозненным частям головоломки, объясняет Джон Гротцингер, профессор геологии Калтеха и ведущий автор работы. «Помимо форм континентов, у геологов были палеонтологические свидетельства того, что ископаемые растения и животные в Африке и Южной Америке были тесно связаны, равно как уникальные вулканические породы, свидетельствующие об общем территориальном происхождении». Проблема была в том, что широкое сообщество планетологов Земли не нашло физический механизм, который объяснил бы, как континенты пропахали свой путь через мантию Земли и разошлись друг от друга. Это кажется невозможным.

«Недостающим компонентом была тектоника плит, — говорит он. — Что-то подобное и важное мы упускаем, пытаясь понять прошлое Марса».

По мере того, как «Кьюриосити» двигался по кратеру Гейла, он останавливался в местах интереса. Все цели были запечатлены, из некоторых извлечены образцы почвы; породы в некоторых выбранных местах были пробурены для извлечения образцов. Эти образцы отправились на бортовые лаборатории марсохода. Используя данные этих инструментов, а также визуальную съемку бортовыми камерами и спектроскопический анализ, ученые MSL собрали по частям невероятно детализированную и подробную историю эволюции этого региона Марса.

Перед тем как «Кьюриосити» приземлился на Марсе, ученые предположили, что кратер Гейла была заполнен слоями отложений. Некоторые гипотезы были «сухими», подразумевающими накопление отложений посредством работы ветра, пыли и песка, тогда как другие рассматривали возможность нанесения осадочных слоев древними реками и озерами. Последние результаты «Кьюриосити» показывают, что эти влажные сценарии были справедливыми для нижних участков горы Шарпа. На основании нового анализа стало понятно, что по меньшей мере нижние слои горы были образованы по большей части древними реками и озерами.

«Во время похода к Гейлу, мы отметили геологические паттерны, в которых прослеживались следы древних быстро движущихся потоков с грубым гравием, а также места, где потоки уходили в водоемы стоячей воды, — говорит Васавада. — Предсказывалось, что мы начнем находить аргиллиты, отложившиеся и хорошо отполированные камешки, ближе к горе Шарпа. Теперь, когда мы прибыли, мы видим прекрасно ламинированную гальку в изобилии». Слои горы были интерпретированы как илистые отложения древнего озера.

«Эти ламинированные аргиллиты очень похожи на те, что мы видим на Земле, — говорит Вуди Фишер, профессор геобиологии Калтеха и соавтор работы. — Ламинация — которая происходит в миллиметровых и сантиметровых масштабах — представляет собой оседание тонкослоистых шлейфов осадков в водоеме со стоячей водой. Именно это мы наблюдаем на примере камней, обнаруженных в древних озерах на Земле». Аргиллиты указывают на присутствие водоемов со стоячей водой в форме озер, которые существовали в течение длительных периодов времени, возможно, неоднократно сжимаясь и расширяясь в течение сотен или миллионов лет. Эти озера отложили осадки, которые в конечном итоге сформировали нижние пределы горы.

«Парадоксально, но там, где сегодня гора, когда-то был бассейн, который иногда заполнялся водой, — говорит Гротцингер. — «Кьюриосити» измерил около 75 метров осадков, но данные картографирования MRO и снимки камер «Кьюриосити» показали, что отложение осадков силами воды могло растянуться минимум на 150-200 метров от дна кратера, и это соответствует миллионам лет, в ходе которых озеро существовало в бассейне кратера Гейла». Кроме того, общая толщина осадочных отложений в кратере Гейла, свидетельствующая о взаимодействии с водой, может быть еще выше — до 800 метров от дна кратера, что говорит о десятках миллионов лет.

Но осадочные слои выше этого уровня не требуют воды в качестве агента осаждения или изменения. «Выше 800 метров гора Шарпа не показывает никаких признаков гидратированных слоев. Четыре тысячи метров сухих осадков», — говорит Гротцингер. Он предполагает, что в этом сегменте истории кратера могли преобладать эоловые, вызванные ветром, осадки, которые когда-то приписывали нижней части, исследуемой «Кьюриосити». Они сложились после влажного периода, который выстроил основание горы.

Покров тайны окружает источник воды, которая нанесла осадков в кратер. Чтобы на поверхности Марса существовали такие объемы текущей воды, у планеты должна быть более плотная атмосфера и теплый климат, наличие которых, впрочем, частично подтверждается геологической активностью в кратере Гейла. Свидетельства этого древнего влажного климата имеются в геологической летописи. Но современные модели палеоклимата — оценки ранних атмосферных масс, состава и количества энергии, получаемой от Солнца, — оказываются очень сухими. Эти модели говорят о том, что атмосфера Марса не могла поддерживать существование огромных объемов воды.

И все же геологические летописи, обнаруженные в кратере Гейла, говорят о другом сценарии. «Будь то дождь или снег, у нас имеются геологические свидетельства накопления влаги в горной местности у края кратера Гейла», — говорит Гротцингер. В случае с кратером Гейла, часть воды была поставлена высокогорьем, которое образовало край кратера, однако высвобождение подземных вод — стандартное объяснение, примиряющее влажные геологические наблюдения с сухими палеоклиматическими предсказаниями — маловероятно в этой области.

«По другую сторону северного края Гейла находятся Северные Равнины. Некоторые выдвинули аргумент, что на их месте был северный океан, и это один из способов получить влагу, необходимую для увязывания с тем, что мы видим в скалах». Возможное существование океана, впрочем, не помогает объяснить, как воде удавалось существовать в жидком виде в течение длительных периодов времени на поверхности.

Пока климатологи пытаются разработать новые атмосферные модели, помощь может прийти из продолжающихся исследований «Кьюриосити». «Есть еще много километров истории Марса, которые нужно исследовать, — говорит Фишер. Он считает, что ряд невероятных данных все еще может появиться в ближайшие несколько лет, пока «Кьюриосити» поднимается выше по горе Шарпа. — Слои раскроют раннюю историю Гейла. Мы знаем, что эти породы сложились под водой, в озере. Какова химия этих пород? Это озеро представляет собой интерфейс между водой и атмосферой, который расскажет нам важные вещи об окружающей среде того времени».

«Мы привыкли думать о Марсе как о чем-то простом, — добавляет Гротцингер. — Когда-то мы и о Земле думали как о простой. Но чем больше вы на это смотрите, тем больше возникает вопросов, поскольку проявляется реальная сложность в том, что мы видим на Марсе. Пришло время пересмотреть все наши предположения. Чего-то где-то не хватает».

Возможно, 4,3 миллиарда лет назад Марс имел достаточно воды, чтобы покрыть всю поверхность жидким слоем глубиной порядка 137 метров. Более вероятно, что вода образовала океан, занимающий почти половину северного полушария Марса, в некоторых регионах достигающего глубины более 1,6 километра.