Рис. 1. Белые пятна (факулы) в кратере Оккатор на Церере. Фотография сделана космическим аппаратом Dawn в декабре 2017 года. Фото с сайта en.wikipedia.org
Одна из наиболее заметных деталей на поверхности малой планеты Цереры — кратер Оккатор и расположенные в нем яркие белые пятна (факулы), образовавшиеся в результате извержения криовулканов. Их окружают сотни небольших холмов, хорошо заметных на снимках космического аппарата Dawn. До недавнего времени детальной геологической модели, объяснявшей формирование этих структур, не было. В августе вышла серия статей, в которых международная научная команда, занимающаяся обработкой данных миссии Dawn, представила такую модель, подробно описав геокриологические процессы, происходившие в кратере после его формирования.
Карликовая планета Церера была открыта в 1801 году Джузеппе Пиацци. Это самый крупный объект главного пояса астероидов, ее средний радиус равен примерно 470 км. Некоторое время Церера считалась планетой (подтверждая эмпирическое правило Тициуса — Боде, в которое в те времена верили многие астрономы), но к середине XIX века в этой области Солнечной системы было открыто еще несколько десятков небесных тел, поэтому ее переквалифицировали в астероиды. Свой нынешний статус Церера получила на знаменитой XXVI Генеральной Ассамблее Международного астрономического союза в 2006 году (одновременно с «разжалованием» Плутона).
Церера обладает сферической формой, что характерно для космических тел, прошедших стадию дифференциации (выделения геологических оболочек) на ранних этапах своего формирования (J. Castillo-Rogez, T. McCord, 2010. Ceres’ evolution and present state constrained by shape data). Благодаря этому Церера имеет слоистую структуру, показанную на рис. 2 (R. Fu et al., 2017. The interior structure of Ceres as revealed by surface topography). В центре находится ядро, состоящее преимущественно из водосодержащих соединений магния, железа и кремния, над ядром находится ледяная мантия, в которой, возможно, есть линзы сильно концентрированных рассолов-растворов. Самой внешней геологической оболочкой этой карликовой планеты является кора, сложенная водяным льдом, минералами группы карбонатов и слоистыми силикатами.
Рис. 2. Внутренняя структура Цереры. Рисунок с сайта dlr.de
Наличие ледяной мантии и коры на Церере предполагалось еще довольно давно на основе подсчетов ее массы (см., например, A. Kovačević, 2012. Determination of the mass of Ceres based on the most gravitationally efficient close encounters), которая составляет всего 1,3% от массы Луны, что при втрое меньшем радиусе говорит о достаточно малой плотности (2,1 г/см3 у Цереры против 3,34 г/см3 у Луны). Для космических объектов такая низкая плотность обычно означает присутствие в их составе льдов или газов. А конкретно в случае Цереры расчеты показывали от 17 до 27 массовых процентов H2O (T. McCord, C. Sotin, 2005. Ceres: Evolution and current state). Альтернативная гипотеза о строении Цереры заключалась в том, что у нее нет ледяной оболочки и она целиком состоит из горных пород малой плотности, сложенных водосодержащими силикатами (M. Zolotov, 2009. On the composition and differentiation of Ceres; W. Neumann et al., 2015. Modelling the internal structure of Ceres: Coupling of accretion with compaction by creep and implications for the water-rock differentiation), но она оказалась неверной.
Изучение географии Цереры началось в 1990-х годах с вводом в строй космического телескопа «Хаббл». На поверхности Цереры удалось обнаружить несколько кратеров (в то время еще не было абсолютной уверенности, что это именно кратеры, но затем это предположение подтвердилось), один из которых имел яркое белое пятно в центре (рис. 3). На тот момент присутствие на Церере водяного льда было уже не просто спекуляцией, а весьма популярной научной идеей, и часть ученых белое пятно связывали именно с ним. Этой связи немного мешал тот факт, что при расчетных температурах поверхности Цереры (−150°C) лед с поверхности должен быстро сублимировать — испаряться в космическое пространство, минуя жидкую фазу. Однако из-за низкого разрешения имевшихся в распоряжении ученых снимков «Хаббла» говорить что-то конкретное о возрасте этого «льда», возможных механизмах обновления поверхности и скорости сублимации было невозможно. Поэтому часть научного сообщества склонялась к гипотезе, выдвинутой на основе данных инфракрасного картирования и утверждавшей, что пятна могут состоять из карбонатов и слоистых силикатов (B. Carry et al., 2008. Near-infrared mapping and physical properties of the dwarf-planet Ceres).
Рис. 3. Фотография «белого пятна» на поверхности Цереры, сделанная «Хабблом» в 2004 году. Между первым и последним кадром в этой серии из четырех снимков прошло 2 часа 20 минут. Хорошо заметно вращение Цереры вокруг своей оси. Полный суточный оборот она делает за 9 часов. Фото с сайта en.wikipedia.org
Но самые интересные данные о Церере научное сообщество получило лишь с прибытием к ней автоматической межпланетной станции Dawn. Запущенный в 2007 году специально для изучения карликовой планеты Церера и астероида Веста, он проработал одиннадцать лет и почти все, что мы знаем об этих космических телах, — результат работы этого аппарата. На нем установлены четыре основных научных инструмента — две камеры, спектрометр VIR (работающий в видимом и инфракрасном диапазонах) и детектор нейтронов и гамма-квантов (GRaND). С помощью камер велись фотосъемка и картирование с высоким разрешением, а инструменты VIR и GRaND служили для определения химического состава вещества на поверхности.
Рис. 4. Снимок кратера Оккатор, сделанный аппаратом Dawn 9 июня 2015 года. Яркое пятно в центре кратера — факула Цереалия, группа пятен правее — факула Виналия. Фото с сайта en.wikipedia.org
В 2011–2012 годах Dawn изучал Весту, а в конце 2014 года добрался до Цереры. Уже первые измерения и фотографии (рис. 4) подтвердили гипотезы о льде во внешних геологических оболочках карликовой планеты и выявили многочисленные проявления криовулканизма (рис. 5). При этом типе вулканизма, происходящем при низких температурах, извергается не привычная нам горячая силикатная лава, а жидкая вода, аммиак или метан, затвердевающие в соответствующие льды на поверхности. Проявления криовулканизма на Земле практически не известны (зафиксировано только одно криоизвержение — Ямальская воронка, см. новость Ямальская воронка образовалась в результате извержения криовулкана, «Элементы», 19.09.2018). Но они типичны для холодных космических объектов — Тритона, Европы, Энцелада, Ганимеда и Цереры.
Рис. 5. Ахуна (Ahuna Mons) — криовулкан и высочайшая гора Цереры (возвышается над окрестностями примерно на 4 км). Слева — реконструкция рельефа. Это изображение было создано на основе трех фотографий, сделанных с высоты 365 км с разными светофильтрами (инфракрасный 960 нм, зеленый 750 нм, синий 440 нм). Технология симулирования рельефа аналогична той, что используется в 3D-режиме карт Google. Относительные высоты искусственно увеличены в два раза, чтобы подчеркнуть вертикальные светлые полосы, оставленные потоками при извержениях. Справа — вид на гору с орбиты. Изображения с сайтов photojournal.jpl.nasa.gov и ru.wikipedia.org
Прояснил Dawn и происхождение «белых пятен», также называемых факулами (лат. facula — маленький факел). Наиболее яркие из них, факулы Цереалия и Виналия, расположены в кратере Оккатор (рис. 4) и названы в честь древнеримских праздников плодородия. Этот кратер имеет 92 километра в ширину, 4 в глубину и сформировался около 22 млн лет назад. По результатам спектрометрических измерений факулы действительно оказались преимущественно состоящими из карбонатов натрия (M. C. De Sanctis et al., 2016. Bright carbonate deposits as evidence of aqueous alteration on (1) Ceres). Кроме карбонатов натрия в белых зонах также были обнаружены аммиак и слоистые силикаты магния. Обнаружение соединений, кристаллизующихся из водных растворов, в совокупности с их положением в центре кратера явно свидетельствовало о недавних (по геологическим меркам) процессах криовулканизма. Кроме того, дно кратера Оккатор покрыто множеством небольших конусообразных структур, очень похожих на те, что характерны для зон вечной мерзлоты Земли (см. Пинго, или бугры пучения, «Элементы», 29.08.2017).
Все это указывало на комплекс взаимосвязанных геокриологических процессов — настолько интересных, что один из выпусков журнала Icarus в 2019 году был посвящен исключительно географии и геологии кратера Оккатор. Но несмотря на обилие уже опубликованного материала, цельная геологическая модель образования и развития этого интереснейшего объекта отсутствовала. В августе 2020 года в журналах из группы Nature вышло сразу несколько статей большой международной научной команды, обрабатывающей данные миссии Dawn, в которых был обобщен огромный объем имеющихся данных и создана модель, хорошо объясняющая формирование всех географических объектов дна кратера.
Одна из статей посвящена глубинному строению кратера Оккатор и проявлениям криовулканизма. Несмотря на очевидно криовулканическое происхождения факул, источник вещества для них оставался неустановленным: было не до конца понятно, как именно возник резервуар жидких растворов, которые впоследствии изливались на поверхность и застыли в виде факул. Возможных вариантов два: либо этот резервуар образовался в результате столкновения Цереры с другим небесным телом, которое создало сам кратер, либо это столкновение произошло в удачном месте, под которым уже был резервуар с коровыми растворами.
Рис. 6. Карта кратера Оккатор. Faculae — факулы (белый цвет), fractures — трещины (красный), cluster of mounds — группы холмов (бирюзовый с крестами). Голубым и фиолетовым цветами обозначены потоки вещества, излившиеся из белых пятен. Другими цветами обозначены породы дна кратера. Рисунок из обсуждаемой статьи J. E. C. Scully et al. в Nature Communications
Чтобы построить геологическую модель коры под поверхностью кратера, ученым пришлось собрать и проанализировать очень большой объем спутниковых снимков и спектроскопических измерений. Данные удалось собрать благодаря продлению миссии Dawn на два года относительно изначально запланированного окончания в 2016 году. Дополнительное время работы аппарата позволило, кроме всего прочего, произвести точное геологическое картирование кратера Оккатор и установить приблизительные мощности различных наблюдаемых геологических слоев. Основываясь на орбитальных фотографиях с очень высоким разрешением (3–10 м/пиксель), была построена модель рельефа (R. Jaumann, 2017. Topography and geomorphology of the interior of Occator crater on Ceres), позволившая выделить границы между геологическими слоями и рассчитать мощность (толщину) этих слоев.
В результате выяснилось, что толщина карбонатных отложений факулы Цереалия (3–31 м) и их объем (11 км3) в несколько раз превосходят толщину (2–3 м) и объем (~0,6 км3) потоков факулы Виналия (рис. 7). Различается и геологическое положение: в отличие от факулы Цереалия, расположенной в самом центре кратера, факула Виналия находится на радиальной трещине (черная тонкая линия на рис. 7) — уходящем в глубину разломе, по которому скорее всего и происходило питание существовавшего там криовулкана.
Рис. 7. Карта окрестностей факул Цереалия и Виналия с указанием мощности потоков излившегося из них вещества (в метрах). Рисунок из обсуждаемой статьи J. E. C. Scully et al. в Nature Communications
На основе данных геологического картирования ученые построили компьютерную физическую модель геологической структуры кратера и выяснили, что наиболее успешным объяснением наблюдаемой морфологии и положения факул является сочетание двух источников вещества для криовулканизма — подповерхностного глубинного резервуара с концентрированными растворами и центрального резервуара, образовавшегося при плавлении льда при падении астероида (рис. 8). Кроме того, они указывают на возможность смыкания центральной камеры с гипотетическим глубинным резервуаром и возникновение долгоживущей системы с гибридным питанием.
Рис. 8. Геологический разрез кратера Оккатор. Синим показаны карбонатные отложения факул, зеленым — осадочные породы кратера, оранжевым — породы коры, светло-коричневым — гидротермальный резервуар с концентрированными растворами. Рисунок из обсуждаемой статьи J. E. C. Scully et al. в Nature Communications
С присущей ученым осторожностью авторы предлагают использовать термин «эффузия» для обозначения процесса образования факул. Это связано с тем, что при имеющихся данных сложно разделить структуры, сформировавшиеся в результате подъема глубинных растворов по трещинам и в результате застывания льдов расплавленных метеоритом.
В еще одной статье ученые проясняют детали эволюции криовулканической системы. По их оценкам, активный криовулканизм в кратере Оккатор начался около 7,5 млн лет назад с извержения криовулкана в центре современной факулы Цералия (рис. 9, а). Мгновенное испарение воды и сублимация водяного льда сформировали склоны криовулкана, представляющие собой слоистые отложения солей и карбонатов. Немного позже сформировалась и центральное понижение в кратере криовулкана — в результате выброса материала и испарения водной составляющей «вулканической пробки» (рис. 9, b).
Рис. 9. Эволюция криовулканической системы кратера Оккатор. Рисунок из обсуждаемой статьи A. Nathues et al. в Nature Astronomy
Затем, около 4 млн лет назад, с подъемом растворов из глубинного резервуара по трещинам активизировался район факулы Виналия. Происходило одновременное фонтанирование из ряда небольших кратеров на трещине, напоминающее земные извержения трещинного типа. Предполагается, что в настоящее время этот процесс либо прекратился, либо находится в стадии малой активности (рис. 9, с).
Приблизительно 2,1 млн лет назад факула Цералия снова активировалась, что привело к образованию отложений солей на северо-западном склоне. Давление снизу вызвало подъем центральной части вулкана и формирование наблюдаемого в настоящее время купола в центре, тогда как сама криовулканическая активность закончилась примерно 1,2 млн лет назад (рис. 9, d).
Рис. 10. Центральный район факулы Цералия. а — карта рельефа, созданная на основе снимков с разрешением ~8,5 м на пиксель; b — проекция фотографии центрального региона, наложенная на комбинированный снимок в разных спектральных диапазонах (960 нм/440 нм). Розовым цветом выделен более светлый и молодой материал последнего извержения. Синей стрелкой показан самый молодой метеоритный кратер, а желтой — потенциальная трещина, из которой происходило извержение ~2 млн лет назад. Рисунок из обсуждаемой статьи A. Nathues et al. в Nature Astronomy
Такая модель активности позволяет объяснить почему мы до сих пор наблюдаем светлые горные породы, которые в условиях поверхностей тел без атмосферы в масштабах геологического времени (примерно за 5–10 млн лет) должны быстро посереть за счет космического выветривания и оседания пыли от формирования новых кратеров.
Однако оказалось, что предложенная модель криовулканизма не объясняет происхождение всех географических объектов в кратере Оккатор: почти тысяча маленьких холмиков вокруг факул сформировалась в результате других процессов, которые были рассмотрены в третьей статье.
На дне кратера Оккатор выделяют несколько фаций пород, образовавшихся в результате застывания импактных расплавов (lobate material). Если взглянуть на карту, показанную на рис. 11, то можно отметить закономерность распределения возвышенностей: они находятся в основном в синих зонах, обозначенных как перемешанный кратерный материал (interdispersed lobate material) и бугристый материал (hummocky lobate material). Сравнив ее с картой разломов (рис. 6), на которой также обозначены основные кластеры холмов, становится заметно, что их распределение не привязано к основной системе существующих трещин, а кроме того, вокруг них нет ярко-белых карбонатов. Значит, описанный в первой статье криовулканизм не является причиной их формирования.
Рис. 11. Расположение различных возвышенностей и холмов в кратере Оккатор. Рисунок из обсуждаемой статьи B. Schmidt et al. в Nature Geoscience
Авторы проанализировали 922 небольших холмика на дне кратера, объединив их в шесть морфологических групп (рис. 12): конические возвышенности (conical mounds), возвышенности с углублениями на вершине (depressed summit), куполообразные возвышенности (domical mounds), плосковершинные холмы (flat topped), холмы, напоминающие столовые горы (caprock) и все остальные (unclassified). На основе данных о взаимоотношении небольших метеоритных кратеров друг с другом и с геологическими структурами (более старые кратеры частично перекрываются более новыми кратерами и геологическими объектами) был установлен относительный возраст возвышенностей и пород, на которых они сформировались. Оказалось, что ледяные породы дна кратера сформировались сразу после столкновения, породившего кратер Оккатор, то есть примерно 22 млн лет назад. Но подавляющее большинство возвышенностей образовалось только через несколько миллионов лет после застывания поверхности кратера.
Рис. 12. Различные типы возвышенностей в кратере Оккатор. Длина маштбаных отрезков — 300 метров. Рисунок из обсуждаемой статьи B. Schmidt et al. в Nature Geoscience
Основываясь на относительном возрасте и анализе морфологии этих холмов, авторы статьи выдвинули гипотезу, что они сформировались при застывании растворов, образовавшихся на поверхности при ударе и быстро перекрытых ледяной коркой, аналогично буграм пучения в зонах многолетней мерзлоты на Земле. Вода, находящаяся в таких линзах и идущих от них вертикальных трещинах, при замерзании сильно расширяется и приподнимает находящиеся над льдом породы. Все описанные группы возвышенностей хорошо коррелируют с различными стадиями развития бугров пучения на Земле и могут считаться их прямым церерианским аналогом (рис. 13).
Рис. 13. Сравнение высотных профилей предполагаемых бугров пучения на Церере (а) и на Земле (b). Рисунок из обсуждаемой статьи B. Schmidt et al. в Nature Geoscience
Таким образом, эта серия статей практически завершает описание геологических структур для кратера Оккатор. Часть из них имеет криовулканическое происхождение: это либо собственно криовулканы, либо излившиеся из них потоки вещества. Другая часть связана с пост-импактными геокриологическими процессами, которые не следует путать с криовулканизмом. Хотя, конечно, тут важно отметить, что даже на Земле бывают сложные «гибридные» случаи. Так, до взрыва, описанного как извержение криовулкана, Ямальская воронка была ничем не примечательным бугром пучения (см. новость Ямальская воронка образовалась в результате извержения криовулкана, «Элементы», 19.09.2018). Для окончательного определения природы таких комплексных явлений требуется, конечно, больше данных, нежели можно получить из орбитальных снимков. Но обработка данных миссии Dawn еще далека от завершения, и нас еще ждут новые работы об особенностях необычной ледяной геологии карликовой планеты Цереры.
Источник: elementy.ru
