Ученые пытаются найти источник метана, обнаруженного в атмосфере Красной планеты
В журнале Science в четверг, 7 июня, вышла статья, в которой дается возможный ответ на один из главных вопросов последних лет: откуда на Марсе взялся метан? Ученые долго спорили о том, что может быть его источником — живые микроорганизмы или геохимические процессы. В нашем тексте мы рассказываем, чем примечателен этот газ, а также почему вокруг него ведется столько дискуссий.
Долгое время возможность существования жизни на Марсе казалась реальной лишь в книгах писателей-фантастов. Однако в 2003 году ученые сделали настолько противоречивое открытие, что сначала даже воздерживались от публикации о нем в научном журнале. Астрономы, изучавшие инфракрасные спектры отраженного от планеты солнечного света, показали, что в атмосфере Красной планеты присутствует метан — газ, большую часть которого на Земле вырабатывают живые организмы.
Для начала давайте разберемся, чем же так примечателен метан и откуда он берется на Земле. Метан представляет собой бесцветный газ, состоящий из четырех атомов водорода и одного атома углерода. Астрономы относят его к числу биомаркеров — веществ, которые могут указать на присутствие знакомых нам форм жизни.
На нашей планете существует несколько естественных источников метана. Главный из них — микроорганизмы археи, которые производят этот газ в ходе своей жизнедеятельности. Чаще всего они живут в заболоченной местности, но их также находят в кишечниках жвачных млекопитающих (особенно прославились коровы), в пищеварительном тракте термитов и даже у человека — они отвечают за метеоризм. Важно отметить, что метаногены — анаэробы, то есть им не требуется кислород. Главным источником энергии для них часто служат водород и углекислый газ — последний как раз составляет примерно 95 процентов марсианской атмосферы.
Правда, метан может производиться и без участия живых организмов — например, благодаря геохимическим процессам. В частности, этот газ выделяется в тектонически активных зонах, там, где находятся глубинные разломы, гейзеры, фумаролы или грязевые вулканы. При этом глобальный выброс метана небиологического происхождения составляет всего один процент от общего объема.
Именно эта дихотомия заставила ученых задаться вопросом о том, откуда на Марсе берется загадочный углеводород и где могут быть скрыты его источники. Кроме того, интерес со стороны научного сообщества подогрел и другой факт. Если поместить молекулу метана в атмосферу Красной планеты, то она «проживет» всего 300 лет — именно столько потребуется ультрафиолетовому излучению и веществам в газовой оболочке Марса, чтобы разрушить ее. Это значит, что марсианский метан, который астрономы обнаружили в начале 2000-х годов, по геологическим меркам довольно свежий и появился сравнительно недавно.
Долгое время познания человечества о жизни на Марсе можно было охарактеризовать знаменитой цитатой из фильма «Карнавальная ночь»: «Есть ли жить на Марсе, нет ли жизни на Марсе — это науке неизвестно». А еще исследователи искали главным образом вовсе не метан или другие газы, а воду — или существующую сейчас, или следы ее существования в прошлом. Именно вода должна была стать ключом к разгадке тайны. Интересно, что еще в XVIII веке астрономы, увидев темные участки на поверхности Красной планеты, решили, что это может быть океан, омывающий берега материков, и выдвинули гипотезу о возможном наличии на Марсе живых организмов.
Однако в начале XXI века на сцене оказалось новое вещество — метан. В 2003-2004 годах сразу три независимых группы, анализировавшие данные космического аппарата Mars Express и инфракрасные спектры отраженного от планеты солнечного света, обнаружили признаки присутствия углеводорода в атмосфере. В целом, его количество было очень невелико — около 10 миллиардных долей на единицу объема, к тому же оно еще и менялось со временем. Однако это означало, что метан до сих пор продолжает поступать в атмосферу. Более того, согласно подсчетам, для того чтобы произвести даже столь небольшое количество газа, понадобилось бы около двух тонн микроорганизмов или стадо из 20 тысяч довольных жизнью коров.
Следующее десятилетие прошло в пристальных наблюдениях. В 2006 году исследователи зафиксировали еще один всплеск содержания вещества, а в 2009 году Майкл Мамма (Michael Mumma), один из авторов самой первой статьи об обнаружении метана на Марсе, опубликовал работу, в которой резюмировал результаты наблюдений телескопа Keck и инфракрасной обсерватории на Гавайях. Астроном показал, что три соседствующие территории — борозда Нили (Nili Fossae), гористый район Terra Sabae и плато Большой Сирт — были так называемыми горячими метановыми точками в 2003 году, а к 2006 году уровень газа там снизился. Это означало, что метан не только производится на планете, но и исчезает благодаря некоторым активным процессам. Среднее время его жизни в атмосфере составляло, согласно подсчетам, около 200 дней, что на несколько порядков меньше ожидаемого. Еще одна загадка.
Внести ясность в эти вопросы должен был ровер «Кьюриосити», отправленный к Марсу в ноябре 2011 года. Космический аппарат был «вооружен до зубов» — на его борту находились несколько камер, бур и мини-лаборатория для определения минералогического состава образцов почвы, детектор радиации, прибор для обнаружения водорода и станция мониторинга окружающей среды. Однако особую ценность представлял еще один инструмент — лазерный спектрометр Tunable Laser Spectrometer, предназначенный для измерения концентрации метана, углекислого газа и водного пара в газовой оболочке Марса. Тем не менее, полученные им данные лишь стали предметом для новых дискуссий и споров.
В 2012-2013 годах «Кьюриосити» шесть раз пытался найти следы метана, но так и не смог этого сделать. Зато начиная с августа 2013 года в ходе еще четырех экспериментов он раз за разом регистрировал наличие этого газа. В связи с этим возник вопрос: нет ли в наблюдениях ошибки? Действительно ли ровер «видит» марсианский метан, или же он привез его с собой с Земли?
В 2015 году Кевин Занле из Исследовательского центра Эймса NASA на семинаре Астробилогического института заявил, что источником марсианского метана может быть предкамера лазерного спектрометра аппарата. В ней также содержится газ, который используется для калибровки чувствительности устройства. По версии ученого, он мог начать просачиваться в марсианскую атмосферу рядом с планетоходом. Так как концентрация метана в предкамере была примерно в тысячу раз выше, чем зарегистрированные «Кьюриосити» значения, то даже небольшая брешь могла стать причиной ложного обнаружения метана.
Однако сейчас, после того как марсоход взял уже более 30 проб, ученые склонны думать, что углеводород все-таки был рожден на Красной планете. В последней работе, которая вышла в журнале Science, суммируются результаты наблюдений трех марсианских лет (или 55 земных месяцев). Содержание метана в атмосфере оказалось связано со сменой сезонов на планете (но это было известно и раньше). В среднем, количество газа составило 0,41±0,16 миллиардных долей на единицу объема, причем в течение года оно менялось от 0,24 до 0,65 миллиардных долей на единицу объема. Самая высокая концентрация метана наблюдалась в конце зимы в северном полушарии или в конце лета в южном. Так что же может быть причиной такой высокой изменчивости?
За 15 лет исследователи выдвинули немало гипотез о происхождении возможных источников и поглотителей марсианского метана, причем эти гипотезы не требуют обязательного наличия жизни на планете. Например, газ может образовываться в ходе гидротермальной реакции между водой и породами, богатыми оливином (магнезиально-железистый силикат с химическим составом (Mg,Fe)2[SiO4], часто встречается в магматических породах, астероидах и метеоритах). В присутствии углекислого газа образуется другой минерал, серпентинит, и выделяется метан. Все необходимые компоненты для протекания реакции на Марсе есть, но еще требуется жидкая вода. Если она присутствует под поверхностью (а сегодня планетологи вполне допускают такую возможность), то механизм может оказаться вполне реальным.
Кроме того, воздействие ультрафиолета могло бы спровоцировать начало реакций, в ходе которых углеводород вырабатывается из органических молекул, входящих в состав почвы или кометной пыли. Действительно, на Марсе ранее было найдены породы, включавшие от 150 до 300 миллиардных долей хлорбензола — ароматического органического соединения, имеющего формулу C6H5Cl, а также дихлоралкан. Или же метан мог образоваться еще в далеком прошлом и оказаться заперт в клатратах (гидрат метана). Со временем под влиянием внешних факторов вещество будет высвобождаться и попадать в марсианский «воздух». Так что метан, который мы видим сегодня, вполне может быть отголоском прошлого. Кстати, последняя работа, посвященная исследованию атмосферы Красной планеты, подтверждает эту теорию — ее авторы предполагают, что источником хотя бы части метана могут быть именно клатраты.
Ветер может отвечать за перераспределение метана в атмосфере, сокращая его содержание в определенной области. Во время пылевого шторма на Марсе скорость ветра достигает 17—30 метров в секунду. Кроме того, под действием солнечного света газ может вступать во взаимодействие с формальдегидом (CH2O) или метанолом (CH3OH), в результате чего будет образовываться углекислый газ — главный компонент марсианской атмосферы.
До решения главной современной проблемы Марса — загадки метана — еще очень далеко. Решенной проблему можно будет считать лишь в том случае, если вдруг будет доказано, что все предыдущие измерения неверны и никакого метана на Марсе нет. Но это крайне маловероятно, учитывая огромный интерес ученых к этой проблеме и немалые силы, приложенные для тщательной проверки имеющихся фактов.
Итак, мы знаем, что метана на Марсе крайне мало, и те 8-10 ppb, которые измерил почти 15 лет назад Владимир Краснопольский — это скорее верхний предел, чем характерная концентрация. Все остальные измерения дают меньшие значения. Мы также знаем, что его содержание в атмосфере Марса переменно, что вполне согласуется с гипотезой о том, что источники простейшего органического вещества на планете находятся под поверхностью, и их сообщение с атмосферой происходит нерегулярно.
Регулярные сезонные вариации содержания метана, о наличии которых заявила команда Вебстера, мало что добавляют в понимание природы его источников. Как разумно замечают авторы, сезонная перестройка атмосферной циркуляции может приводить к изменению характера распространения примеси от источников, где бы они ни находились. А вот разгадать расположение этих источников на основе знания марсианской метеорологии, которая сейчас уже неплохо известна и, в отличие от земной, вполне предсказуема — задача чрезвычайно сложная, но в принципе решаемая.
Так что едва ли можно говорить о разрешении проблемы метана, скорее — о новом витке интриги вокруг простейшей органической химии Красной планеты. Еще не сказал своего слова ACS — российский комплекс из трех инфракрасных спектрометров, установленных на борту международной межпланетной станции ЭкзоМарс, который буквально несколько недель назад приступил к полноценной работе и для которого метан — одна из центральных научных задач. И, надеемся, свой вклад в решение этой проблемы сделает вторая очередь этой миссии — марсоход «Пастер» и российская посадочная платформа, также начиненная научной аппаратурой следующего поколения.
Александр Родин, руководитель Лаборатории прикладной инфракрасной спектроскопии МФТИ, старший научный сотрудник отдела физики планет и малых тел Солнечной системы ИКИ РАН
Сегодня мы только приближаемся к ответу на вопрос о том, какие тайны скрывает Марс. Конечно, новые наблюдения позволяют глубже проникнуть в процессы, происходящие на Красной планете, и лучше понять, что отвечает за появление тех или иных веществ в ее атмосфере. Но чтобы поставить окончательную точку в тех дискуссиях, которые ведутся сегодня, потребуется еще немало времени.
Кристина Уласович