Час від часу біля самої марсіанської поверхні ровер Curiosity реєструє стрибки концентрації метану – газу, який на Землі зазвичай виробляють живі організми. При цьому із супутників в атмосфері загалом його знайти не вдається. Цей парадокс породив серед учених багаторічні суперечки про те, чи є метан на Марсі і якщо так, то як йому вдається поводитися так парадоксально. Пояснити це спробувала команда планетологів із NASA.
Одне з “селфі” марсохода Curiosity. Складено з кількох десятків зображень, зроблених камерою MAHLI, яка розташована на маніпуляторі ровера / © NASA, JPL
На Землі єдине біологічне джерело метану – метаногенні археї, які утворюють цей газ у безкисневих умовах як побічний продукт метаболізму. Метан з’являється й іншим шляхом, в умовах високих температур і тисків – скажімо, під час виверження вулканів.
Коли вчені вперше виявили метан на Марсі 1999 року за допомогою наземного телескопа Canada-France-Hawaii Telescope, вони зайшли в глухий кут. З одного боку, на Червоній планеті не знайшли переконливих доказів існування життя або його наявності в далекому минулому. З іншого – на Марсі не виявили ознак вулканічної активності: вулкани перестали вивергатися там давно. Тобто ніхто не очікував виявити цей газ на Червоній планеті. Проте його знайшли, і поки ніхто не знає, як він там опинився.
Ще більше плутанини з метаном на Марсі вніс ровер Curiosity. Дослідницькі прилади, встановлені на борту “марсіанської наукової лабораторії на колесах”, постійно реєструють сліди цього газу поблизу поверхні кратера Гейла – єдиного місця на Марсі, де досі було виявлено метан.
Учені припускали, що джерелом цього газу є геологічні механізми, які задіюють воду і гірські породи глибоко під марсіанською поверхнею. У такому разі викиди мають бути постійними. Але Curiosity спростував це припущення. Марсохід показав, що метан поводиться несподівано: з’являється вночі і зникає вдень. Крім того, концентрація метану над кратером Гейла змінюється залежно від пори року, а іноді досягає рівня, що в 40 разів перевищує звичайний.
Ще одна дивина: метан не накопичується в атмосфері. Орбітальний апарат Європейського космічного агентства ExoMars Trace Gas Orbiter, відправлений на Червону планету 2016 року спеціально для вивчення газу в атмосфері, не виявив там його слідів.
Чому одні наукові прилади реєструють метан на Червоній планеті, тобто на невеликій висоті від поверхні, а інші – ні? Чому цей газ поводиться дивним чином і його фіксують тільки в одному місці – над кратером Гейла, але не в атмосфері?
2021 року на перше запитання спробувала відповісти команда Curiosity. Тоді вчені припустили, що ровер зміг знайти метан, а орбітальний зонд – ні, через відмінності в методиці виявлення цього газу. Причина може бути в наукових інструментах, точніше, в їхньому різному устрої. Також це може бути пов’язано з тим, що марсохід шукає метан на Марсі вночі, а орбітальний зонд – удень.
З другим питанням спробували розібратися планетологи з NASA під керівництвом Олександра Павлова. Свої висновки дослідники представили в статті, опублікованій у журналі Geophysical Research: Planets.
Учені припустили, що метан – незалежно від того, як він з’являється – може накопичуватися під твердою кіркою солі, яка, зі свого боку, утворюється в марсіанському ґрунті на невеликій глибині. Сіль переноситься водою ближче до поверхні, а після замерзання води поблизу холодної поверхні утворює кірку. Коли влітку температура підвищується, кірка тріскається і метан просочується назовні. Крім того, газ може вириватися з марсіанських надр, коли на цю кірку чиниться тиск і вона розламується: наприклад, тиск може створювати важкий марсохід. Останнє припущення пояснює, чому метан зафіксували тільки в кратері Гейла.
Матеріал, що імітує марсіанський ґрунт, який використовувала в експерименті група планетолога Олександра Павлова. Зразок складається з пилу та залишків гірських порід / © NASA, Alexander Pavlov
На такі думки вчених наштовхнули результати експериментів, які вони раніше проводили в камері з імітацією марсіанських умов. Планетологи досліджували п’ять зразків ґрунту, просочених перхлоратом різної концентрації. Перхлорат – сіль, яка повсюдно зустрічається в марсіанському ґрунті. Кожен зразок зазнав впливу різних температур і тиску в камері.
Періодично команда Павлова вводила в зразки неон, аналог метану, і вимірювала тиск газу під і над ними. Більш високий тиск під зразками означав, що газ “захоплений” ґрунтом. Потім, протягом від трьох до 13 днів, у ґрунті з’являлася солона кірка, під якою починав накопичуватися газ, але тільки в зразках із концентрацією перхлорату від п’яти до 10 відсотків.
Така концентрація перхлорату набагато вища, ніж зафіксована Curiosity в реальному марсіанському ґрунті в кратері Гейл. Але ґрунт там багатий іншим типом солі – сульфатами, які команда Павлова хоче взяти для нового експерименту, щоб з’ясувати, чи можуть сульфати утворювати кірку з метаном.
Підсумуємо. Експеримент у камері з імітацією марсіанських умов показав, що перхлорати переносяться ближче до поверхні за допомогою води, а потім тверднуть, утворюючи тверду кірку. Метан та інші леткі речовини можуть накопичуватися під нею, але під тиском (наприклад, унаслідок буріння або руху марсохода) ця кірка тріскається, і з надр виривається газ.
(a) Камера для моделювання марсіанських умов. (b) Великий план зразка. (c) Схема всієї установки. Температура в камері може опускатися нижче мінус 100 градусів, а тиск падати до 0,1 мілібара / © Alexander Pavlov
Зазначимо, що припущення групи Павлова закриває лише частину питань. Річ у тім, що вночі марсохід завжди нерухомий, оскільки це телекерована машина, а не автономний робот. Відповідно, він не може своїми колесами порушити цілісність кірки. До того ж уночі температура на Марсі падає на десятки градусів. У логіці припущень Павлова це має знижувати ймовірність просочування метану на поверхню планети. Однак він поводиться строго навпаки: просочується на поверхню вночі, а вдень чомусь зникає, незважаючи на різке і швидке зростання температур.
У зв’язку з цим важко виключати й альтернативне пояснення – швидкі варіації в рівні метану. Відомо, що на поверхні Марса в теплі сезони стає більше кисню (синхронно з появою метану). Іншими словами, підвищення температури може запускати якісь механізми, здатні одночасно вивільняти і метан, і кисень. Це досить нетривіально, тому що в земних умовах напрацювання кисню зазвичай відбувається в місцях, де метан у дефіциті.
Однак 2010 року вчені виявили, що частина мікроорганізмів, які споживають метан, у земних умовах виробляє власний кисень. Якщо на Марсі та сама ситуація, то поява біогенного метану на поверхні (під час “розморожування” приповерхневої кірки) може активно відбуватися вночі, а вдень мікроби, які споживають метан, просто розкладають цей метан, утворюючи кисень.