Исследователи изучили, как ведет себя вода в минералах поверхности Марса и спутников Юпитера

Работа международного российско-австрийского научного коллектива при участии сотрудников Новосибирского государственного университета и университета Вены позволила изучить состав воды в минералах, найденных на поверхности и в глубине Марса и спутников Юпитера. В дальнейшем это исследование может стать ключом к ответу на вопрос о более раннем существовании жизни на этих планетах. Результаты опубликованы во флагманском научном журнале Международного союза кристаллографов IUCrJ.

В НОЦ «Институт химических технологий Новосибирского государственного университета — Институт катализа СО РАН (ИНХИТ НГУ — ИК СО РАН)» ученые под руководством профессора, доктора химических наук Елены Владимировны Болдыревой и доктора химических наук Бориса Александровича Захарова в сотрудничестве с австрийскими коллегами под руководством профессора Рональда Милетича воссоздали космические условия и провели эксперимент с синтетическими минералами, аналогами встречающихся на поверхностях Марса и спутников Юпитера, в том числе с кизеритом, для того чтобы изучить, как они ведут себя при сверхнизких температурах. Исследователи увидели, что структура минерала из-за наличия в ней молекул воды, которая связывает мостиками катионы металлов и сульфат-анионы в жесткой каркасной сетке, оставалась стабильной. Фазовых переходов на температурном интервале не было обнаружено, а это означает, что при сверхнизких температурах структура значительно сжимается, но при этом не разрушается и не перестраивается в другую фазу. 

Монокристальный рентгеновский дифрактометр Rigaku-Oxford Diffraction Gemini Ultra

 Монокристальный рентгеновский дифрактометр Rigaku-Oxford Diffraction Gemini Ultra 

Несмотря на сухой и холодный климат на Марсе и спутниках Юпитера сегодня, ученые со всего мира выдвигают предположения о том, что когда-то, на ранних этапах эволюции планет, там была жидкая вода и плотная атмосфера. Об этом свидетельствуют фотографии с космических аппаратов и марсоходов, на снимках которых показаны извилистые песчаные русла рек с множеством притоков, напоминающие земные, — на Марсе, и масштабные ледяные поверхности с разломами и трещинами — на спутниках Юпитера. В жидком виде воды на этих планетах нет, но ее можно обнаружить в составе найденных на их поверхностях минералов и таким образом подтвердить, что когда-то она могла присутствовать и в свободном виде. Известно два способа, как это можно сделать: первый заключается в непосредственном взятии пробы с интересующей планеты, второй предполагает воссоздание условий, которые бы моделировали и повторяли среду, обнаруженную за пределами Земли. Хотя при помощи марсохода Curiosity, оснащенного портативным дифрактометром, удалось получить необходимую для исследования качественную и количественную информацию с поверхности планет, в том числе о составе почв, для изучения структуры и свойств различных соединений, возможности портативного дифрактометра всё же значительно уступают тем, которыми обладают стационарные лабораторные приборы. Поэтому был выбран второй путь. 

В качестве одного из материалов для исследования был использован кизерит, минерал, известный тем, что способен отдавать и забирать молекулы воды, и в ряде научных публикаций было показано, что его наличие в соединениях может указывать на гипотетическое существование воды на поверхностях Марса и спутников Юпитера в прошлом. «При разных условиях количество молекул воды в структуре может варьироваться от одной до одиннадцати», — рассказывает ассистент кафедры химии твердого тела факультета естественных наук НГУ Никита Евгеньевич Богданов. — Задача была понять, что случится с минералами в воссозданных условиях ближайшего космоса и на какие параметры можно повлиять, чтобы эти космические условия моделировать. Ими оказались температура и давление, изучением последнего занялись наши коллеги из Австрии в своих более ранних публикациях. Мы же при помощи монокристального рентгеновского дифрактометра Rigaku-Oxford Diffraction Gemini Ultra R и приставки CryoJet для изучения структуры этих соединений произвели серию экспериментов при сверхнизких температурах: до 15 Кельвинов (~ -258 °С), достигаемых за счет обдува кристалла сухим гелием».

«Устройство, которое мы используем для опытов, — продолжает Никита Евгеньевич, — уникально в своем роде. Помимо достижения сверхнизких температур, прибор также должен позволять собирать данные на достаточно высокой скорости. За Уралом аппаратуры такого уровня или более современных аналогов найти невозможно, более новые есть только в Москве, Петербурге и Казани».

Результаты проведенного исследования могут повлиять не только на анализ и моделирование других физических свойств соединений, но и на интерпретацию спектроскопических данных, полученных космическими аппаратами и станциями с поверхности Марса и спутников Юпитера. Возможность создавать подобные условия очень значима, ведь лабораторий, располагающих таким специализированным оборудованием, немного не только в России, но и в мире. 

«Наука в Сибири»

Фото предоставлено исследователем