Мертвое море в поясе астероидов

Церера — самое крупное тело в Главном поясе астероидов, известное нам уже два века. За это время она успела побывать пятой планетой Солнечной системы, затем астероидом, а в начале этого века утвердилась в статусе карликовой планеты. С 2015 по 2018 год на ее орбите работала автоматическая станция Dawn, а вчера команда миссии и сотрудничавшие с ней ученые опубликовали полученные станцией данные в виде сразу семи статей в журналах группы Nature. Редакция N + 1 разбирается в тонкостях перевоплощения примитивного тела изо льда и камня в удивительный мир с соленым океаном внутри, криовулканами, активность которых длилась несколько миллионов лет, и потоками льда, что продолжают двигаться по ее поверхности.

«Я назвал эту звезду кометой, но поскольку ее не сопровождает никакая туманность, и, более того, ее движение столь медленно и равномерно, мне не раз приходило в голову, что она может оказаться чем-то получше кометы», — писал в 1801 году итальянский астроном Джузеппе Пиацци своему другу и коллеге в Милан.

Вечером самого первого дня того года Пиацци искал на небе звезду в созвездии Тельца по каталогу француза Николя Луи де Лакайля — и обнаружил рядом с искомой звездой еще одну, которой в каталогах не было. Через три дня наблюдений ученый пришел к выводу, что звезда движется (что странно для звезды), а через еще две недели заметил — направление ее движения вообще изменилось (что характерно уже только для тел на орбите Солнца). Пиацци назвал обнаруженное им тело «Церера Фердинанда», изложил суть своего открытия в нескольких письмах коллегам, не прилагая к ним точных данных, и продолжил наблюдения.

Астрономы встрепенулись — они уже не первый год искали на орбите между Марсом и Юпитером планету, которую предсказывало правило Тициуса — Боде. Специально для обнаружения этой планеты в 1800 году даже создали группу со звучным названием «Небесная полиция» (Himmelspolizey) — войти в нее пригласили 24 астронома, включая и итальянца Пиацци, но тот нашел Цереру до того, как это приглашение до него добралось.

К лету 1801 года Пиацци, наконец, заручившись всеми возможными свидетельствами в пользу того, что приоритет открытия точно принадлежит ему, опубликовал данные своих наблюдений, которые подтвердились другими астрономами, а к концу года орбиту Цереры рассчитал Карл Фридрих Гаусс. Пробелы в стройной картине универсума, выведенной за 30 лет до открытия Цереры формулы, были устранены. Люди жили на третьей планете от Солнца, первым был Меркурий, восьмой Уран, Церера — пятой.

Однако уже в следующем году немецкий астроном-любитель Генрих Ольберс, пытаясь рассмотреть в телескоп Цереру, обнаружил неподалеку от нее еще одну «странную звезду». Она тоже двигалась по небу, подобно планете или комете, не имела хвоста, а в телескоп не выглядела как диск, как все нормальные планеты. Гаусс снова взялся за расчеты и подтвердил, что орбита открытого немцем тела практически совпадает с орбитой пятой планеты, Ольберс назвал обнаруженную им «сестру» Цереры Палладой, а астрономы задумались: вместо «нормальной» планеты они получили две «звездоподобных».

Уильям Гершель, уже завоевавший себе имя открытием Урана, оценил диаметр этих тел, нашел их крайне малыми и предложил называть новые объекты астероидами («звездоподобными»). Идее Гершеля некоторое время противились, но в следующие годы были найдены Юнона, Веста, а еще сорок лет спустя число «звездоподобных» тел между Марсом и Юпитером пошло уже на десятки. Никакого международного консилиума по этому поводу астрономы не собирали, но к середине XIX века каталоги уже начали выделять эти тела в отдельную группу и называть — кто «малыми планетами», кто, вслед за Гершелем, астероидами. Церера оставалась самой крупной из них.

Долгое время в распоряжении астрономов, наблюдавших Цереру, были лишь наземные и космические обсерватории, поэтому данных о ней было не слишком много. Диаметр Цереры был оценен в 974 километра: в поясе астероидов она выделялась своей сферической формой. Через двести лет после ее открытия это, собственно, и позволило Международному астрономическому союзу в 2006 году «породнить» Цереру с Плутоном: тот тоже выделяется из прочих тел пояса Койпера тем, что набрал достаточно массы, чтобы достичь гидростатического равновесия, но, подобно Церере, не «разогнал» со своей орбиты другие тела. Так Церера стала карликовой планетой, самой маленькой и самой ближней к Земле. Правда, слово «планета» в новом титуле не вернуло ей величия двухсотлетней давности — согласно все тому же определению МАС карликовые планеты планетами не считаются.

За несколько лет до этого космический телескоп «Хаббл» и телескопы обсерватории Кека получили ряд изображений Цереры, на которых были видны детали поверхности, различающиеся цветом и яркостью. А в 2014 году космический инфракрасный телескоп «Гершель» обнаружил следы выбросов водяного пара с поверхности карликовой планеты и ученые смогли локализовать их источники на поверхности — две округлых области в северном полушарии. Оценки плотности Цереры позволяли утверждать, что та состоит из каменных пород, покрытых ледяной коркой. Вот, собственно, и все.

Ближе к телу

Если миссия New Horizons стартовала к девятой планете Солнечной системы, а прилетела уже к одной из карликовых планет, то в случае с миссией Dawn (или «Рассвет») получилось почти что наоборот. Автоматическая станция, которая на этапе проектирования должна была изучить крупнейший астероид из известных человечеству, в 2007 году стартовала с Земли уже не к астероиду, а «сестре» Плутона. Новая эра в истории изучения Цереры началась в марте 2015 года, через несколько лет после рандеву New Horizons с Плутоном — Dawn немного задержался в пути, изучая Весту. Еще на подлете к Церере станция разглядела необычные яркие пятна в крупном кратере Оккатор (Occator), вскоре последовало и другое открытие — одинокая гора Ахуна (Ahuna mons), подозрительно похожая на криовулкан.

По мере перехода станции на все более низкие орбиты на Церере нашлись ледники и оползни, отмечено обилие водяного льда и замечены следы органических соединений. Вскоре ситуация стала еще более интересной — станция нашла свидетельства тому, что геологическая активность на Церере продолжается, увидела сезонное таяние льда, очередные признаки криовулканизма и даже заподозрила Цереру в сокрытии под своей корой остатков океана. Все это говорило о том, что перед нами не какая-то «груда щебня», подобная астероидам Рюгу или Бенну из того же самого региона Солнечной системы — а небесное тело, прошедшее сложный путь геологической и химической эволюции, где не обошлось и без жидкой воды.

К ноябрю 2018 года на борту Dawn закончилось топливо для дальнейших маневров, и станция завершила свою работу, оставшись на стабильной орбите вокруг Цереры, чтобы не загрязнять ее веществами земного происхождения. Однако миссия на этом еще не закончилась — на Земле продолжался анализ данных и снимков, переданных «Рассветом» за три года работы. И судя по новым научным статьям, наши самые смелые ожидания от Цереры оправдались.

После «Рассвета»

Строение Цереры до недавнего времени выглядело следующим образом. Вначале однородная, механически прочная кора толщиной несколько десятков километров (сравнимая с земной), покрытая реголитом и богатая летучими веществами. Под ней, до глубины не менее ста километров, залегает мантия из гидратированных пород, а далее идет каменное ядро. Однако теперь, изучив гравиметрическую карту поверхности Цереры, планетологи пришли к выводу, что кора неоднородна: чем глубже, тем она менее пористая и тем больше в ней содержится плотных веществ, например глин или других горных пород и солей. Это означает, что по мере охлаждения Цереры кора росла за счет промерзания подповерхностного океана, в котором сконцентрированы соли и силикаты.

Среднюю плотность коры ученые сейчас оценивают в 1233 килограмма на кубический метр, что свидетельствует о наличии в ее составе большого количества льда, гидратов и малого количества силикатов. А ряд гравитационных аномалий говорит не только о том, что под поверхностью карликовой планеты находятся крупные залежи льда, но и том, что еще глубже, в ее мантии, остались еще не замерзшие резервуары с соленым раствором — вероятные остатки огромного подповерхностного океана. Они-то и ответственны за геологическую активность Цереры. Нижняя мантия карликовой планеты залегает на глубине около ста километров — ученые считают, что она относительно сухая.

Неподалеку от обнаруженных станцией гравитационных аномалий, которые могут быть залежами льда или подповерхностными резервуарами с рассолом, стоят самые высокие горы на Церере, обе чуть выше Фудзиямы — широкий, пятидесятикилометровый в диаметре купол Косеча (Cosecha Tholus, ~3 800 метров) и семнадцатикилометровая в диаметре гора Ахуна (Ahuna Mons, ~4 000 метров). Теперь мы уверены, что это криовулканы, подобные тем, что есть на Титане или Плутоне, и непохожие на мощные гейзеры, которые вырываются из под поверхности Энцелада и Европы. Церерианские вулканы чем-то похожи на земные грязевые вулканы, однако извергали они не горячую грязь, а криолаву — смесь из воды, солей, летучих веществ и силикатов, что могли подниматься из недр Цереры по сети подземных трещин. Склоны Ахуны до сих пор покрыты отложениями карбоната натрия — следами былых извержений.

Однако самого пристального внимания ученых удостоился кратер Оккатор со своими знаменитыми белыми пятнами — факулами (так астрономы называют особенно яркие точки на поверхности небесных тел, безотносительно их природы). Кратер диаметром 92 километра и глубиной до 4 километров находится чуть севернее экватора Цереры и возник 22 миллиона лет назад в результате столкновения с другим небесным телом. 

В центре Оккатора, как и положено ударным кратерам, высится горка — трехсотметровый купол Цереалий (Cerealia Tholus), три километра в поперечнике, весь иссеченный трещинами. Цереалий погребен под одной из факул (Cerealia Facula) — яркими толстыми слоями отложений, что растеклись когда-то по центральной впадине кратера на ширину 14,7 километров. Толще всего слой факулы прямо над Цереалием, там он достигает пятидесяти метров, ближе к краям истончаясь до шести — а значит, именно купол извергал из себя соленые воды. Рядом находится факула Пасола (Pasola Facula), она «сидит» на краю вала, окружающего центр кратера — верхушка горного хребта в этом месте срезана, подобно столовой горе. Вторая группа пятен — в двадцати километрах к востоку от Цереалия, факулы Виналий (Vinalia Faculae).

В состав отложений, образующих эти пятна, входят карбонат натрия, карбонат или хлорид аммония, а также гидратированный хлорид натрия (гидрогалит). На дне кратера также видны небольшие конические или куполообразные холмы, похожие на земные бугры пучения или «пинго» — форму рельефа, образованного при участии льда.

Единственное место в Солнечной системе, где гидрогалит находили прежде — Земля: он входит в состав морских льдов. В условиях карликовой планеты этот минерал нестабилен и может существовать во временном масштабе лишь до ста лет, теряя воду и превращаясь в галит. Если учесть, что возраст ударного кратера составляет 22 миллиона лет, и тепло, выделившееся при столкновении, давно рассеялось, то получается, что найденный станцией Dawn гидрогалит образовался совсем недавно, а его источник (соленый раствор) находится в глубине под кратером, что частично подтверждается найденными гравитационными аномалиями.

В итоге сейчас на руках у планетологов есть два сценария эволюции Оккатора: либо соленое озеро (рапа) или участок океана под ним уже были, либо столкновение с небесным телом, породившее кратер, его создало, расплавив залежи льда на глубине. Жидкий рассол пробирался на поверхность через трещины в коре, где испарялся, создавая отложения солей. Текучесть рассол сохранил благодаря высокой концентрации солей, которые понижают температуру замерзания раствора.

Все эти открытия идут вразрез с тем, как мы представляли себе эволюцию Цереры прежде. Тепловой баланс подобных тел — камень, лед, никакой атмосферы — определяется внутренним радиоактивным распадом долгоживущих изотопов с выделением тепла, а не солнечным излучением или воздействием приливных сил. Помочь объяснить, как Церера и Плутон смогли сохранять под своей поверхностью жидкий океан в течение долгого времени, могут газовые гидраты или клатраты — соединения, у которых теплопроводность гораздо меньше, чем у льда, а механические свойства намного лучше, что помогало уменьшить потери тепла. Ранее считалось, что клатраты присутствуют в коре Титана и Европы, но о них не задумывались при моделировании ледяных тел, таких как другие спутники планет-гигантов (Энцелад или Каллисто) или карликовых планет.

Несмотря на то, что океан на Церере дожил до наших дней в практически замороженном состоянии — хотя возможно, где-то еще остались отдельные соленые озера — он уникален, и прежде всего тем, что помогает разобраться в целом ряде процессов на Земле, Марсе, Плутоне, ледяных спутниках Юпитера и Сатурна и ответственных за их геологическую эволюцию. Данные, собранные станцией, будут использованы при планировании будущих миссий в систему Юпитера — Europa Clipper и JUICE (Jupiter Icy moons explorer).

Еще один важный вопрос, на который ученым лишь предстоит найти ответ, заключается в том, оставался ли океан на Церере — его pH, температура и другие свойства — неизменным и замкнутым (не имея прямой связи с поверхностью) в течение долгого времени или непрерывно эволюционировал за счет различных геологических и химических процессов. Поиск ответа на этот вопрос важен для астробиологов, которые пытаются определить критерии обитаемости внеземных океанов.

Церера пережила сложный путь эволюции, как с точки зрения геологии, так и с точки зрения научной номенклатуры: становясь то планетой, то астероидом, то карликовой планетой. Благодаря станции Dawn эволюционировали и наши представления о ней — из примитивного и неприметного небесного тела Церера превратилась в уникальный мир. Ученые надеются, что к карликовой планете в будущем будет отправлена новая межпланетная станция, которая поможет найти ответы на вопросы, которых у планетологов становится все больше.

Александр Войтюк