30 июля 2020 года Американским космическим агенством (NASA) был запущен 9-й аппарат для изучения Марса непосредственно на поверхности планеты. Агенство запустило большую кампанию по поиску имени для нового марсохода еще в 2019 году; в итоге, в ходе всемирного голосования, было выбрано имя Perseverance (рус. Упорство), иногда его по-дружески называют просто Percy. Что ж, это имя полностью отражает характер главного героя данной статьи, поскольку он оснащен современным оборудованием с искусственным интеллектом для поиска останков былой жизни на Марсе. На сегодняшний день нет убедительных доказательств ее существования там. Через семь месяцев путешествия, 18 февраля 2021 года, марсоход успешно приземлился в кратер Езеро, который когда-то был озером. Совсем скоро марсоход приступит к своей миссии, изучая поверхность и атмосферу красной планеты, отправляя ежедневно мегабайты данных на Землю. А мы пока можем изучить, чем и как Настойчивость будет пользоваться в ходе миссии.
Оснащенность нового марсохода просто поражает: 23 камеры, 2 микрофона, даже мини-вертолет, который имеет свое собственное имя Ingenuity (рус. Изобретательность)... Но самое главное то, что ровер укомплектован семью современными инструментами для научных исследований. В данной статье мы разберем те, что расположены на его роботизированной руке.
PIXL
Planetary Instrument for X-Ray Lithochemistry (Планетарный инструмент для рентгеновской литохимии) - это рентгенофлуоресцентный спектрометр, разработанный еще в 2014 году учеными и инженерами Лаборатории реактивного движения Калифирнийского технологического института. Ренгенофлуоресцентная спектрометрия активно используется для элементного анализа сплавов, минералов, горных пород. Метод позволяет очень быстро узнать (счет идет на секунды), из чего состоит тот или иной материал или его часть.
Основа метода - флуоресценция вещества под действием рентгеновского излучения. Фотон рентгеновского излучения выбивает из атома ближний к ядру электрон, появившуюся вакансию моментально занимает электрон с соседнего верхнего энергетического уровня, испуская избыток энергии в виде фотона вторичного рентгеновского излучения. Атом каждого элемента уникален по своему электронному строению, поэтому энергия каждого такого вторичного фотона несет информацию о его источнике. Грубо говоря, измерив энергию вторичного рентгеновского излучения, можно определить, атом какого элемента это излучение испустил.
Сенсор PIXL установлен на руке ровера, его положение точно задается при помощи шести ножек "гексапода".
Точная установка положения датчика и фокусировка рентгеновского луча в пятно диаметром 0,12 мм позволяет изучить геохимию планеты в субмиллиметровом масштабе.
Согласно техническим характеристикам прибора, он способен обнаруживать и определять концентрацию более 25 элементов тяжелее натрия концентрацией выше 10 ppm (миллионная доля, т. е., например, мг/кг).
После того, как рука марсохода помещается рядом с интересным камнем, PIXL с помощью камеры и лазера рассчитывает расстояние до него. Затем ножки гексапода совершают крошечные движения - порядка 100 микрон, или примерно в два раза шире человеческого волоса, - так что устройство может сканировать цель, отображая химические вещества, обнаруженные в области размером с почтовую марку. PIXL измеряет энергию вторичных рентгеновских лучей из одной точки на камне в течение 10 секунд, прежде чем инструмент наклонится на 100 микрон и выполнит еще одно измерение. Переходя от одной точки к другой спектрометр создает 2D карты распределения элементов. Чтобы создать одну из таких химических карт размером с почтовую марку, возможно, потребуется проделать это тысячи раз в течение целых восьми или девяти часов.
Изобретатели PIXL заложили в его алгоритм адаптивный подход к анализу. Это означает, что при сканировании участка датчик будет задерживаться только над "интересными" участками, а на остальные тратить меньше времени, теряя при этом точность количественного определения. Такой подход оправдан, ведь на нашей планете часто можно встретить один минерал с вкраплениями других (например, песчинки пирита в кварце), и не надо подробно сканировать весь минерал (мы и так понимаем, что это кварц), зато следует более подробно изучить вкрапления.
Представьте, что при сканировании документа на обычном офисном сканере, каретка с лампой будет задерживаться только на цветных точках, пропуская при этом сам белый лист бумаги. Качество информации практически не изменяется, однако ее количество существенно уменьшается, что позволяет быстрее закончить сканирование и быстрее передать данные.
Планируется, что PIXL будет работать ночью, чтобы при позиционировании датчика исключить эффект расширения металлов от солнечного тепла. За одну рабочую ночь он будет накапливать около 2 мегабайт спектральной информации.
Для астробиологов рентгеновская флуоресценция - это способ читать истории, оставленные древним прошлым. Составление карты химического состава поверхности горных пород с помощью PIXL даст ученым подсказки для интерпретации того, может ли образец быть окаменелым микробом.
SHERLOC
Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics & Chemicals (Сканирование обитаемой окружающей среды с помощью комбинационного рассеяния света и люминесценции на предмет органических и неорганических веществ) - это спектрометр, получающий информацию об образцах с помощью рамановского рассеяния света и люминесценции, возникающих под действием ультрафиолетового излучения.
При попадании на молекулу вещества фотона ультрафиолетового излучения возможно несколько вариантов развития:
- Может произойти упругое соударение, фотон "отскочит" от молекулы с такой же энергией - произойдет т. н. рэлеевское рассеяние, которое не несет информацию о попавшейся на пути молекуле.
- Может произойти неупругое соударение, фотон потеряет часть своей энергии на молекуле, и "отскочит", но это будет уже фотон излучения большей длины волны. Поскольку все уровни энергии в молекуле квантованы (т. е., в зависимости от строения молекулы она может поглощать только определенные порции энергии из вне), рассеянный фотон будет нести информацию о том, что за молекула встретилась на его пути. Это так называемое рамановское, или комбинационное, рассеяние.
- Фотон может поглотиться молекулой, тогда электроны, образующие химические связи, получают энергию для "перескока" на более высокий энергетический уровень. Это называется возбужденным состоянием электрона. Такое состояние частицы неустойчиво - ей необходимо вернутся в свое основное энергетическое состояние. Это может произойти несколькими путями. В ходе одного из них электрон может рассеять часть энергии за счет ее передачи другим частицам или другим колебательным степеням свободы, оставшуюся энергию излучить в виде кванта света - фотона. Это излучение (флуоресценция) будет иметь бОльшую длину волны, нежели первичное излучение и оно тоже несет информацию о строении вещества.
SHERLOC нацелен на поиск и определение органических соединений с помощью флуоресцентной спектроскопии, с помощью рамановской спектрометрии можно также идентифицировать органические вещества и, кроме того, определенные минералы, в том числе образовавшиеся при испарении соленой воды. Такое двойное использование позволяет проводить мощный анализ множества различных соединений в одном месте.
"В этом приборе используются две различные стратегии обнаружения. Он может обнаруживать важный класс молекул углерода с высокой чувствительностью, а также определять минералы, которые предоставляют информацию о древней водной среде"
Лютер Бигл, Лаборатория реактивного движения
Ультрафиолетовый неон-медный лазер (248,6 нм), используемый для в SHERLOC для анализа, имеет толщину луча всего 50 микрометров - половину толщины листа бумаги. Именно с таким разрешением по поверхности он сможет изучать химический состав пород, а подвижное зеркало, направляющее луч в заданное место с высокой точностью, позволит картировать поверхность на площади 7 × 7 мм. При нахождении особенно интересных участков породы инструмент будет производит более подробное сканирование поверхности площадью 1 кв. мм.
"Мы сможем не только обнаруживать эти химические вещества и минералы с высокой чувствительностью, но и составим мощные химические карты. Например, мы можем видеть, сгруппированы ли органические вещества вместе или рассеиваются, и мы можем соотнести минералы с видимыми прожилками или зернами в породе. Это также позволяет нам интегрировать наши результаты с другими инструментами для получения еще более информативного содержания образцов"
Лютер Бигл, Лаборатория реактивного движения
Аппаратура очень чувствительна, за счет флуоресцентного анализа (детектируемый диапазон 274 - 354 нм) инструмент может обнаруживать органику при концентрации всего 1 ppm, а за счет спектроскопии комбинационного рассеяния (детектируемый диапазон 810 - 4000 обратных сантиметра) - на уровне 0,01 - 1 %.
Присутствие астробиологически важных минералов (например, карбонатов, нитратов, фосфатов, сульфатов и т. д.) в сочетании с органическими веществами является важным компонентом при оценке потенциальной биогенности. SHERLOC идентифицирует присутствующие органические и минеральные вещества в масштабах, которые соответствуют минералогии и морфологии большинства биосигнатур, полученных от микроорганизмов. Используя визуализацию, SHERLOC может соотносить обнаруженные классы органических веществ с морфологией (шириной и формой), чтобы определить, являются ли кандидаты на микроископаемых, такие как волокна или строматолитовые слои, потенциально биогенными.
SHERLOC также укомплектован чувствительной камерой WATSON (Wide Angle Topographic Sensor for Operations and eNgineering - широкоугольный топографический датчик для операций и инженерии), которая позволит получать четкие цветные макроснимки изучаемой поверхности.
PIXL и SHERLOC с WATSON нацелены искать следы жизни, данные методы были апробированы в земных условиях, доказав свою эффективность. Давая почти исчерпывающую информацию о составе породы эти инструменты помогут нам найти ответ на вопрос "Существовала ли на Марсе жизнь?".
Источник - nasa.gov