Новый метод поиска воды на астероидах

Сотрудники Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Института космических исследований РАН и Института астрономии РАН создали новый метод нахождения воды в виде льда на астероидах.

Предложенный подход основан на обнаружении пыли вблизи поверхности этих космических объектов. Так, оценивая состав пылевой экзосферы астероидов в ближней ультрафиолетовой части спектра, авторам удалось примерно на 20% повысить вероятность нахождения водяного льда по сравнению с ранее используемым методом. Работа учёных способствует более эффективному поиску воды на астероидах, которая в будущем может стать источником водородного топлива для космических миссий.

Лёд на астероидах — это ценный ресурс для будущих космических миссий, потому что воду, содержащуюся на астероидах в виде льда, можно будет расщеплять на водород и кислород при помощи электрического тока (электролиза). Это позволит получить водородное топливо, используемое в реактивных двигателях и необходимое для работы ракет и других космических аппаратов. Однако точно определить, есть ли на астероиде лёд, довольно сложно из-за удалённости астероидов от Земли и их малых размеров. Кроме того, вода в виде льда на астероидах примитивного состава обычно скрыта в недрах. На поверхности космического тела она, как правило, может оказаться при столкновениях астероидов в Главном поясе, где вероятность таких событий наиболее высокая. Поэтому учёные ищут эффективные методы обнаружения водяного льда и на поверхности, и в недрах астероидов.

Исследователи разработали новый метод, который позволяет оценить, есть ли в недрах астероидов вода в виде льда. Для этого авторы предложили анализировать состав потоков пыли и газа над поверхностью астероидов, движущихся на небольших расстояниях от Солнца — менее 4 астрономических единиц (астрономическая единица равняется расстоянию от Земли до Солнца).

Эти космические тела были выбраны из-за того, что на поверхности астероидов, близких к нашей звезде, лёд нестабилен из-за сублимации — прямого перехода из твёрдого состояния в газ без промежуточной жидкой фазы. Поэтому он может выбрасываться из глубин астероидов на поверхность при внешнем воздействии, например, при приближении астероида к Солнцу. В результате в экзосфере астероида образуются разреженные потоки газа и пыли, которые мы можем наблюдать в виде «хвоста», как у комет, но очень ограниченное время. Именно эти эффекты, по мнению учёных, могут указать на присутствие в составе вещества астероида льда.

Исследователи проанализировали спектральные характеристики 102 разных астероидов (а некоторые из них — многократно при повторных наблюдениях), а также численно смоделировали их спектры отражения. По тому, как пылевые выбросы над астероидом взаимодействуют с солнечным электромагнитным излучением, можно оценить химический состав и структуру пылевых частиц в составе экзосферы. У астероидов вблизи поверхности может образоваться разреженная экзосфера, но концентрация частиц в ней очень низкая по причине слабых гравитационных полей этих малых тел.

Хотя в видимой области спектра такая пылевая экзосфера малозаметна, её можно обнаружить в коротковолновой (ближней ультрафиолетовой) части спектра. Именно в этой области наиболее высокую отражательную способность по сравнению с другими соединениями имеют частицы водяного льда, а также некоторые астрономические силикаты, распространённые в космических условиях.

Авторы отмечают, что предложенный подход даёт возможность определить наличие льда в недрах астероида с вероятностью не менее 50%. Такая погрешность в оценке связана с тем, что спектры отражения водяного льда в этом диапазоне похожи на спектры отражения силикатов, поэтому между собой их сложно различить.

При этом предложенный подход все равно точнее предыдущего метода, предложенного в 1970-е годы американскими астрономами и основанного на использовании инфракрасного излучения. Их исследования показали, что водяной лед на астероидах поглощает свет в ближнем инфракрасном диапазоне. Однако на этих длинах волн полоса поглощения водяного льда сравнима с похожими полосами поглощения двух других классов веществ: гидросиликатов и водорастворимых органических соединений. Таким образом, выборка из трёх примерно равно распространённых соединений, любое из которых может дать такой признак, приводит к вероятности обнаружения водяного льда, равной только 30%.

«Предлагаемая нами методика также актуальна для обнаружения водяного льда на астероидах, сближающихся с Землей. Для определения потенциальной угрозы важно оценивать их состав как можно более точно. С другой стороны, в отдаленной перспективе такие астероиды могут рассматриваться как источники важнейших внеземных ресурсов, в частности воды. В дальнейшем мы планируем продолжать исследования в этом направлении, проводя поиски активных астероидов при их обзорных наблюдениях и используя при этом более крупные телескопы», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Владимир Бусарев, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Отдела исследования Луны и планет ГАИШ МГУ.

Результаты исследования опубликованы в июньском выпуске журнала Solar System Research.