В астероидной пыли впервые обнаружена вода

Уте Бёттигер и Хайнц-Вильгельм Хюберс (Германский центр авиации и космонавтики) изучают пробы грунта с Итокавы. Помимо специалистов из Университета Аризоны, над образцами работали несколько научных групп из разных стран
Уте Бёттигер и Хайнц-Вильгельм Хюберс (Германский центр авиации и космонавтики) изучают пробы грунта с Итокавы. Помимо специалистов из Университета Аризоны, над образцами работали несколько научных групп из разных стран. Фото DLR
Аркадий Курамшин
Аркадий Курамшин

В минеральных образцах, собранных на поверхности астероида, впервые была обнаружена вода. Об этом сообщают космохимики Цзылян Цзинь и Метрайе Бозе (Ziliang Jin, Maitrayee Bose) из Университета штата Аризона, изучившие крошечные частицы с поверхности астероида Итокава. Вещество с Итокавы попало на Землю в 2010 году — это главный результат миссии «Хаябуса» Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA). Неожиданная находка позволила исследователям предложить свою гипотезу появления воды на Земле [1].

Вода — не только ключевое условие для появления и существования углеродных форм жизни [2], но и вещество, необходимое для образования планет земного типа [3]. Даже если исключить из расчета гидросферу нашей планеты, она всё равно довольно богата водой. В земной коре содержится от 15 тыс. до 20 тыс. миллионных долей (м. д.) воды, в мантии, по различным оценкам, — от 380 до 2560 м. д. [4]. Жидкая вода была недавно обнаружена под слоем льда на южном полюсе Марса [5]. Результаты последних исследований говорят о том, что на Луне и астероидах семейства Весты тоже можно найти магматическую воду [6].

Происхождение воды во внутренней области Солнечной системы — постоянный предмет споров [6]. В рамках астрономической модели Большого маневра1 принято считать, что богатые летучими веществами астероиды оказались внутри орбиты Юпитера не позднее чем через 10 млн лет после формирования этой планеты и обеспечили водой растущие планеты земной группы. Гипотеза Поздней аккреции предполагает, что бóльшая часть воды оказалась во внутренней Солнечной системе примерно через 100 млн лет спустя после образования Юпитера, и источником этой воды стали ледяные астероиды и кометы из внешних областей Солнечной системы [7]. Кроме двух основных гипотез появления воды на планетах земного типа, существует множество альтернативных сценариев, которые сами по себе кажутся вполне достоверными, однако противоречат и друг другу, и Большому маневру, и Поздней аккреции. В итоге астрономы вынуждены признать не­определенность представлений о происхождении и количестве воды, попавшей на планеты земной группы Солнечной системы (от Меркурия до Марса включительно), а также о том, когда это произошло.

Понять, откуда взялась вода на планетах земной группы, поможет информация о том, содержат ли ее планетезимали (космические объекты, из которых когда-то образовались планеты Солнечной системы). Предполагается, что наиболее достоверную информацию о химическом составе планетезималей в наше время может дать изучение астероидов S-типа. Это относительно небольшие (не более 20 км в поперечнике) космические объекты, располагающиеся на расстояниях от 0,3 до 3 а. е. от Солнца. Астероиды такого типа — самый распространенный тип объектов астероидного пояса. Астрономы предполагают, что они могли сохранить информацию о появлении воды в Солнечной системе и на внутренних планетах.

В 2010 году Японское агентство аэрокосмических исследований получило в распоряжение около 1500 частиц грунта, собранных с поверхности астероида S-типа — астероида Итокава 25 143. Итокава представляет собой космический объект неправильной формы с максимальной длиной 0,3 км. Он делает полный оборот вокруг Солнца за 18 месяцев. Образцы грунта с этого астероида попали в земные лаборатории благодаря миссии «Хаябуса».

Космический зонд «Хаябуса» (на японском языке это означает «сапсан») был запущен JAXA 9 мая 2003 года. Планировалось, что он подойдет к астероиду, изучит его состав прямо на месте, отберет пробы грунта, а в июне 2007 года вернется к Земле и сбросит капсулу с добытыми образцами. Это была бы первая доставка на Землю вещества с иного крупного небесного тела после лунных экспедиций.

Астероид Итокава. Изображение: JAXA
Астероид Итокава. Изображение: JAXA

Миссия «Хаябусы» складывалась драматично: его двигатели и солнечные панели работали со сбоями, а выход из строя специального механизма для отбора проб заставил ученых сомневаться в том, что аппарату удастся доставить на Землю хоть какие-то образцы вещества с астероида. Общая длительность путешествия превысила расчетную на три года. Во время перелета к Итокаве сильная солнечная вспышка нарушила работу солнечных батарей. Это снизило маневренность аппарата до минимума. Из-за этого зонд достиг астероида лишь в сентябре, а не в середине 2005 года, как планировалось изначально. В ноябре 2005 года «Хаябуса» должен был осуществить на Итокаве три короткие посадки — одну пробную и две штатные. Однако из-за ряда сбоев одна посадка прошла неудачно.

Подлетев к астероиду и сев на его поверхность, «Хаябуса» должен был выпустить микроробота, оснащенного тремя фотокамерами. Две синхронизированные камеры были предназначены для стерео­съемки объектов, расположенных на расстоянии от 10 до 50 см от робота, в том числе для съемок отдельных пылинок. Третья камера могла бы наблюдать более удаленные объекты поверхности. Также робот был оснащен приборами для изучения состава астероида. Однако после отделения робота связь с ним установить не удалось, и он был потерян.

26 ноября 2005 года «Хаябуса» попытался забрать грунт астероида еще раз. До сближения с поверхностью астероида произошел сбой компьютера. Аппарат потерял ориентацию, и один из двигателей был поврежден. Хотя грунт всё же удалось забрать, вскоре связь с зондом была потеряна. К марту 2006 года связь с «Хаябусой» была восстановлена. В июне 2006-го JAXA сообщило, что аппарат, возможно, все-таки удастся вернуть на Землю.

К счастью, 4 февраля 2009 года сотрудникам JAXA удалось наконец перезапустить ионный двигатель и направить аппарат к Земле. 13 июня 2010 года «Хаябуса» вошел в атмосферу Земли и сбросил спускаемую капсулу, содержащую образцы вещества астероида. Капсула успешно приземлилась и была обнаружена на юге Австралии. Сам аппарат сгорел в плотных слоях атмосферы.

Отбор пробы грунта астероида Итокава зондом «Хаябуса». Фантазия художника. Изображение: NASA

Основные компоненты вещества представляют собой цепочечные железосиликаты — оливин и пироксен. Эти же силикаты были ранее обнаружены в составе лунного вещества. Предполагается, что эти вещества образовались в результате конденсации охлаждающегося протопланетного диска, из которого образовалась Солнечная система [8]. Цзинь и Бозе проанализировали два пироксеновых зерна, определив в них содержание воды и соотношение дейтерия к легкому водороду (D/H) с помощью метода наномасштабной вторичной ионной масс-cпектрометрии. Одно из зерен содержало 970 ± 93 м. д. воды, а другое 680 ± 65 м. д. Это достаточно высокое содержание воды для формально безводных материалов с астероида, в особенности если учесть, что за миллионы лет существования Итокавы порода, расположенная на его поверхности, подвергалась космическому выветриванию и теряла воду. Также было установлено, что изотопный состав водорода в изученных частицах близок среднему изотопному составу водорода в воде земного Мирового океана. Полученные Цзинем и Бозе результаты позволяют говорить о том, что астероиды S-типа, формировавшиеся во внутренней Солнечной системе, несмотря на высокие температуры, содержали большое количество воды и могли стать потенциальным ее источником для Земли.

Хидэо Итокава (糸川 英夫) — отец японской космонавтики, профессор Токийского университета; человек, в честь которого назван астероид 25143. japaneseclass.jp
Хидэо Итокава (糸川 英夫) — отец японской космонавтики, профессор Токийского университета; человек, в честь которого назван астероид 25 143. Изображение: japaneseclass.jp

На основании полученных результатов Цзинь и Бозе предлагают свою гипотезу появления воды на Земле. Они предполагают, что во время формирования Солнечной системы железосиликатные частицы, размеры которых были сравнимы с крупицами вещества, доставленными с Итокавы, захватили водород благодаря как физической адсорбции, так и химическим процессам гидроксилирования, протекавшим при высоких температурах (до 1200 °C) и давлениях в протопланетном диске. Со временем железосиликатные крупинки слипались, образуя сначала протопланетный диск, а потом планетезимали, подобные Итокаве, большая часть которых продолжала аккрецировать и превратилась в планеты. Таким образом, Цзинь и Бозе предполагают, что вода уже содержалась в материале, из которого формировалась Земля и другие планеты Солнечной системы.

Конечно, эта гипотеза тоже нуждается в проверке. Есть косвенные свидетельства существования воды на астероидах S-типа. Например, зонд NASA OSIRIS-REx спектрально обнаружил гидроксил-радикалы (ОН·) на астероиде Бенну. Однако результаты только спектральных исследований сложно интерпретировать — они просто говорят о наличии воды, не позволяя однозначно судить о ее происхождении.

Возможно, что больше полноценной информации космохимики смогут получить, анализируя результаты миссии JAXA «Хаябуса-2», который был направлен для изучения другого астероида S-класса — 1999 JU3. Его диаметр оценивается примерно в 0,92 км — почти в два раза больше, чем у астероида Итокава. Запущенный 3 декабря 2014 года, 22 февраля 2019 года зонд «Хаябуса-2» опустился на относительно ровную шестиметровую площадку 1999 JU3 и взял образцы грунта. В настоящее время «Хаябуса-2» продолжает изучение астероида 1999 JU3. Если не возникнет внештатных ситуаций, отбытие «Хаябусы-2» в обратный путь к Земле запланировано на декабрь 2019 года, а возвращение на Землю с образцами грунта — на декабрь 2020 года.

Аркадий Курамшин,
канд. хим. наук, доцент Химического института КФУ

  1. Ziliang Jin, Maitrayee Bose. New clues to ancient water on Itokawa // Science Advances. — 2019. — Vol. 5, no. 5, eaav8106; DOI: 10.1126/sciadv.aav8106
  2. F. Westall, A. Brack. The importance of water for life // Space Sci. Rev. — 2018. — 214, 50; DOI: 10.1007/s11214−018−0476−7
  3. S. M. Tikoo, L. T. Elkins-Tanton. The fate of water within Earth and super-Earths and implications for plate tectonics // Philos. Trans. A Math. Phys. Eng. Sci. — 2017. —375, 20 150 394; DOI: 10.1098/rsta.2015.0394
  4. A. H. Peslier, M. Schönbächler, H. Busemann, S.-I. Karato. Water in the Earth’s interior: Distribution and origin // Space Sci. Rev. — 2017. — 212, 743−810; DOI: 10.1007/s11214−017−0387-z
  5. R. Orosei et al. Radar evidence of subglacial liquid water on Mars // Science. — 2018: Vol. 361, Issue 6401, pp. 490−493; DOI: 10.1126/science.aar7268
  6. E. H. Hauri, A. E. Saal, M. J. Rutherford, J. A. Van Orman. Water in the Moon’s interior: Truth and consequences // Earth Planet. Sci. Lett. — 2015. — 409, 252−264; DOI: 10.1016/j.epsl.2014.10.053
  7. A. Morbidelli, J. Chambers, J. I. Lunine, J. M. Petit, F. Robert, G. B. Valsecchi, K. E. Cyr. Source regions and timescales for the delivery of water to the Earth. Meteorit. Planet. Sci. — 2000. — 35, 1309−1320; DOI: 10.1111/j.1945−5100.2000.tb01518.x
  8. T. Nakamura et al. Itokawa dust particles: A direct link between S-type asteroids and ordinary chondrites // Science. — 2011. — 333. — 1113−1116; DOI: 10.1126/science.1 207 758

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (6 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: