Оригинал материала
В астероидной пыли впервые обнаружена вода
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 25143. 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.
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.
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.
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