Трассировка лучей помогла установить возраст льда в кратерах вечной тьмы на Церере

Постоянно затемненные регионы есть не только на Церере, но еще и на Луне с Меркурием. В такие кратеры, находящиеся вблизи полюсов, никогда не попадает солнечный свет. Значит, в них могут сохраняться льды разных летучих соединений на протяжении миллионов или даже миллиардов лет. По крайней мере, это справедливо для Луны и Меркурия. Но на Церере даже в самых темных кратерах вечной тьмы оказалось неожиданно мало льда. Разгадать эту аномалию помогли комплексный подход к моделированию и подробная карта карликовой планеты.

Церера — крупнейший объект пояса астероидов, и она содержит едва ли не больше воды, чем Земля. Вот только практически вся эта вода находится в недрах карликовой планеты в форме льда, перемешанного с глинами и гидратированными минералами. Предположительно, существуют глубинные резервуары с жидкой соленой водой, но подтвердить их наличие пока сложно. Поверхность Цереры лишена льда, потому что он быстро сублимирует под лучами солнечного света. Остается только слой минералов, с которыми вода была связана, — так получается церерианский реголит.

Другое дело — постоянно затемненные регионы карликовой планеты. Наклон оси ее вращения составляет примерно три градуса, значит, в приполярных областях должны быть кратеры вечной тьмы. Туда не попадает солнечный свет, следовательно, подобные холодные ловушки могут содержать лед, сохранившийся со времен формирования Цереры или попавший туда извне, в результате падения другого небесного тела на карликовую планету.

Анимация освещенности северного полушария Цереры в зависимости от угла наклона ее оси вращения: 2, 12 или 20 градусов. Синим показаны регионы, где сохраняется тень во времена наименьшего наклона, красным — во время наибольшего. Это выделение на снимках, которые сделал зонд Dawn и оно не учитывает данных моделирования с использованием трассировки лучей. Новая научная работа показывает, что даже в тех кратерах, которые остаются затененными в периоды наибольшего наклона оси вращения Цереры, отраженного от их кромок света оказывается достаточно для нагрева любого льда выше температуры сублимации / © NASA, JPL-Caltech, UCLA, MPS, DLR, IDA

Наконец, даже несмотря на плотный слой лишенного льда реголита, из-под поверхности Цереры все равно выходит небольшое количество водяного пара. В недрах лед тоже медленно сублимирует. И сила тяжести на карликовой планете достаточно большая, чтобы улетучивающаяся вода формировала очень тонкую временную атмосферу. Примерно каждая тысячная молекула пара должна оседать в холодных ловушках.

Однако миссия Dawn не обнаружила на Церере большого количества льда в кратерах вечной тени. Это здорово озадачило ученых. Одно из объяснений — нестабильность наклона оси вращения карликовой планеты. В прошлом гравитационные возмущения от Сатурна и Юпитера приводили к тому, что Церера «наклонялась» на угол до 20 градусов против нынешних трех. Во время таких пертурбаций большая часть территории приполярных областей точно освещалась. Тем не менее холодные ловушки все равно могли сохраняться при удачном стечении обстоятельств, а в них — ценнейший материал для изучения условий в молодой Солнечной системе.

Новая научная работа, опубликованная в рецензируемом журнале The Planetary Science Journal, ставит на этих надеждах жирный крест. Ее авторы — сотрудники некоммерческой исследовательской организации Planetary Science Institute (PSI) и Центра космических полетов имени Годдарда (GSFC). Они разработали новый метод реконструкции топографии на основе стереоснимков, позволивший им использовать данные зонда Dawn для создания самой детализированной трехмерной карты приполярных областей Цереры. Исследователи смогли определить глубину и форму внутренней поверхности даже тех кратеров, которые на единичных фотографиях выглядели абсолютно затемненными и лишенными деталей.

На следующем этапе понадобилась технология трассировки лучей — с ее помощью удалось уточнить, какие же области внутри кратеров вечной тьмы на самом деле никогда не получают солнечный свет. Вдобавок, используя это моделирование, получилось установить температурный диапазон внутри холодных ловушек. Важно отметить, что из-за более низкого разрешения снимков южного полюса исследователи сфокусировали свое внимание в первую очередь на церерианской Арктике.

Карта постоянно затененных областей северного полушария Цереры, составленная с учетом уточненной топографии поверхности и моделирования освещенности с использованием трассировки лучей. Цветная шкала показывает возможность существования постоянно затененных областей в зависимости от угла наклона оси вращения карликовой планеты: темно-синий соответствует двум градусам, ярко-красный — двадцати / © Norbert Schorghofer et al., The Planetary Science Journal, DOI:10.3847/PSJ/ad3639

Выводы неутешительные для тех, кто ищет древнейший лед во внутренней Солнечной системе где-то, кроме полярных регионов Меркурия и Луны. Во-первых, на Церере нет ни одной постоянно затемненной области площадью более двух квадратных километров севернее 87-го градуса широты. Южнее — их нет совсем.

Во-вторых, когда ось вращения карликовой планеты наклоняется сильнее всего, ни одной холодной ловушки не остается. Таким образом, весь лед на поверхности Цереры, который зафиксировал Dawn, моложе человеческой цивилизации: он не старше 14 000 лет, а наиболее вероятно, что ему около 6000 лет.

Возможная причина появления этих поверхностных ледяных отложений — падение крупного астероида на Цереру в промежутке времени между 14 и шестью тысячами лет назад. Часть выбитого из мантии карликовой планеты льда осела в холодных ловушках. Еще один важный результат новой научной работы: в постоянно затененных регионах Цереры есть только водяной лед, других летучих в астрофизическом смысле соединений (например, метана или аммиака) из-за сравнительно высокой температуры (выше 80 кельвинов) там быть не может.