Марс имеет сравнительно тонкую атмосферу и  не обладает глобальным магнитным полем, поэтому солнечные и галактические космические лучи свободно доходят до его поверхности и взаимодействуют с ней. Под воздействием космических лучей в поверхностном слое планеты на глубине около 1-3 метра генерируются большое количество быстрых вторичных нейтронов.  Нейтроны выходят на поверхность, взаимодействуя по пути с веществом приповерхностного слоя. Они испытывают два типа ядерных реакций – реакции неупругого рассеяния для быстрых нейтронов и реакции захвата эпи–тепловых  и тепловых нейтронов ядрами [1] (см. рис. 1). Поток нейтронов с поверхности называется нейтронным альбедо Марса.

Рис. 1. Ядерные процессы происходящие в поверхностном слое Марса под действием космических лучей  (Чтобы увидеть подробнее кликните на картинку)

В результате реакций с нейтронами ядра химических элементов грунта генерируют гамма-излучение. Каждое ядро имеет свой уникальный спектр линий в гамма диапазоне, поэтому ядерная гамма-спектроскопия позволяет однозначно установить относительное количество ядер того или иного элемента в исследуемом образце.

Согласно расчетам [1], поверхность Марса должна излучать вторичное гамма-излучение в виде «леса» линий от породообразующих элементов (см. рис. 2)

Рис. 2. Результаты расчетов "леса" ядерных гамма-линий от поверхности Марса, которые связаны с естественными радиоактивными элементами ⁴⁰K, ⁹²U и ⁹⁰Th,  с реакциями неупругого рассеяния и с реакциями захвата (см. [1]). (Чтобы увидеть подробнее кликните на картинку)

Набору ядер каждой породы соответствует вполне определенный набор ядерных гамма-линий, и поэтому метод гамма-спектроскопии позволит с большой точностью определить морфологию поверхности Марса. На основе численных расчетов были получены различные варианты  «леса» ядерных линий  для разных пород на поверхности Марса [1]. Большинство линий возникает под действием возбуждения ядер вторичными нейтронами, и только несколько линий связаны с присутствием в породе естественных радиоактивных элементов ⁴⁰K, ⁹²U, ⁹⁰Th. Вообще говоря, их спектр точно отражает элементный состав приповерхностного слоя в каждой точке на поверхности Марса.

ГАММА СПЕКТРОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТИ МАРСА: ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА

Первые прямые измерения с орбиты вокруг Марса потока гамма лучей сцинтилляционными детекторами были проведены на советских КА "МАРС-5" и "ФОБОС-2" в 1989 г. [2 - 4].  Они подтвердили наличие сильного потока вторичного ядерного гамма-излучения от Марса, но не обеспечили достаточно высокого спектрального разрешения для проведения детального анализа элементного состава вещества планеты.

Гамма-спектрометр с детектором из высокочистого германия позволяет измерить спектр ядерных гамма–линий с очень высоким спектральным разрешением. Именно такой прибор необходимо использовать для детального выяснения элементного состава поверхности Марса. Были предприняты две попытки направить такой инструмент к Марсу.  Первая была осуществлена в 1992 г., когда  гамма-спектрометр GRS с германиевым детектором был запущен к Марсу на борту американского космического аппарата "MARS OBSERVER" [5]. Вторая попытка имела место в 1996 г., когда российско-американский гамма–спектрометр ПГС с двумя детекторами из высокочистого германия был включен в состав российского КА "МАРС-96" [6]. К сожалению оба проекта потерпели неудачу. В настоящее время обновленный германиевый гамма-спектрометр GRS включен в состав полезной нагрузки межпланетного аппарата "2001 MARS ODYSSEY" для измерения вторичного гамма-излучения Марса с очень высоким спектральным разрешением. 

Основной целью комплексного эксперимента GRS является построение глобальной карты гамма излучения поверхности Марса и, соответственно, карты распространенности основных породообразующих элементов в приповерхностном слое этой планеты (см. таблицу 1). 

На основе этих карт будут получены данные о происхождении и о характере эволюции различных областей Марса, об активных вулканических районах, о полярных шапках и районах вечной мерзлоты.

Ядерные гамма–линии основных породообразующих элементов могут возбуждаться либо в реакциях неупругого рассеяния быстрых нейтронов либо в реакциях захвата тепловых нейтронов, поэтому интенсивность линий зависит не только от относительного обилия этих элементов, но также от спектральной плотности потока вторичных нейтронов. Таким образом, знание спектра нейтронного альбедо Марса является необходимым условием определения относительной распространенности его породообразующих элементов. 

С другой стороны, энергетический спектр нейтронов на поверхности Марса в свою очередь зависит от локального элементного состава вещества приповерхностного слоя [7-9]. Если в слое присутствуют только относительно тяжелые ядра ( ¹⁶O, ¹⁴Si, ²⁶Fe, ²⁰Ca и др.), то создаваемые космическими лучами быстрые нейтроны  взаимодействуют с ними преимущественно через реакции неупругого рассеяния и выходят на поверхность Марса практически без потерь энергии. В этом случае в спектре присутствуют, в основном, гамма-линии возбужденных ядер этих элементов. (см. рис. 2).

Напротив, при наличии в поверхностном слое Марса ядер водорода и других легких элементов быстрые нейтроны эффективно замедляются до тепловых энергий. Для тепловых нейтронов более вероятными являются реакции захвата, и поэтому под действием этих нейтронов в слое генерируется другой, по сравнению с реакциями неупругого рассеяния, набор гамма-линий.

Таким образом, для определения относительной  распространенности основных породообразующих элементов необходим полный комплекс измерений, который  должен включать как измерения с высоким спектральным разрешением линий гамма-излучения ядер, так и измерения спектров нейтронов альбедо планеты в широком диапазоне энергий – от тепловых до нескольких МэВ. Именно поэтому в состав комплекса гамма-спектрометра GRS  были включены также два прибора для измерения потоков быстрых и тепловых нейтронов от поверхности Марса – американский нейтронный спектрометр NS для детектирования тепловых и эпитепловых нейтронов и российский детектор нейтронов высоких энергий HEND.

НЕЙТРОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ: ПОИСК ВОДЯНОГО ЛЬДА

Кроме предоставления данных о потоках нейтронов для однозначного восстановления состава поверхности Марса по данным гамма-спектрометра, результаты измерений нейтронными детекторами имеют также самостоятельное научное значение.

Известно, что соотношение потоков быстрых и тепловых нейтронов на поверхности Марса существенно зависит от относительного количества водорода и других легких элементов в поверхностном слое планеты (см. рис. 3) [7-9]. Известно также, что вода является одним из самых распространенных химических соединений содержащих водород. Таким образом, дефицит быстрых нейтронов сопровождающийся увеличением потока тепловых нейтронов в какой-либо точке поверхности Марса свидетельствует о наличии льда или воды в этом месте.

Поэтому второй целью комплексного эксперимента GRS является поиск областей с наличием приповерхностной воды или льда на основе измерений вариаций потоков быстрых и тепловых нейтронов (см. таблицу 1). 

Рис. 3. Относительное изменение количества тепловых TN и быстрых HEN нейтронов  и их отношение HEN/TN в зависимости от содержания воды в приповерхностном слое грунта (по горизонтали отложено  содержание  воды в %). (Чтобы увидеть подробнее кликните на картинку)

ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА GRS С УЧАСТИЕМ ПРИБОРА HEND

Достижение целей эксперимента GRS с участием российского прибора HEND должно обеспечить существенный прогресс в исследованиях Марса:

• Гамма и нейтронная спектроскопия Марса помогут установить характер глобальной эволюции этой планеты.

• Будет установлен  минералогический состав поверхностного слоя Марса толщиной  до 1 метра.

• Будет выяснена роль воды в глобальной истории Марса. По данным измерений нейтронного альбедо будет установлено, есть ли сейчас на Марсе области с большим содержанием воды или льда под поверхностью. 

Обнаружение таких областей может быть наиболее интересным результатом миссии "2001 MARS ODYSSEY", как место посадки для будущих экспедиций по следующим причинам:

• Во-первых, в этих районах могут быть выполнены исследования водяных льдов in situ, что является  очень перспективным с точки зрения поиска современной жизни или признаков палеожизни на Марсе.

• Во-вторых, в этих областях могут быть добыты образцы пород или льда для  доставки на Землю с целью высокочувствительных исследований в земных лабораториях.

• В-третьих, эти области наиболее всего подходят для технологических экспериментов по производству расходуемых ресурсов для  будущего освоения красной планеты  человеком.

Таким образом, проведение комплексного эксперимента GRS миссии "2001 MARS ODYSSEY" позволит значительно продвинуться в изучении и будущем освоении Марса, и данные российского прибора HEND должны внести существенный вклад в эти исследования.  (см. таблицу 1)

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ ПО ИССЛЕДОВАНИЯМ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ И СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК 

Комплекс аппаратуры GRS с российским прибором HEND также будет использоваться для проведения дополнительной программы астрофизических исследований, связанных с изучением космических гамма-всплесков и солнечных вспышек. 

Космические гамма-всплески представляют собой короткие мощные вспышки гамма-излучения длительностью несколько десятков секунд, которые имеют астрономическую природу. Это явление было открыто в 1968 на американских спутниках серии "VELA". Большой вклад в исследование гамма-всплесков также эксперименты на российских спутниках и межпланетных аппаратах "Прогноз", "Венера" и "Фобос".

Очевидно, что сравнительно небольшие детекторы приборов GRS и HEND не могут конкурировать по чувствительности с аналогичными крупными приборами на околоземных орбитах, так как при их разработке учитывались очень жесткие ограничения по массам. Значение измерений гамма-всплесков на межпланетном аппарате "2001 MARS ODYSSEY" состоит в тем, что точка измерения находится на межпланетном расстоянии от Земли. Сопоставление данных измерений с результатами других приборов на межпланетных аппаратах и на околоземных спутниках HETE-2, WIND позволит определить направление на источник всплеска с высокой точностью около нескольких угловых минут дуги (метод межпланетной триангуляции). Знание этих направлений даст возможность проводить наблюдения источников всплесков на фазе послесвечения и получить важные данные о природе этого загадочного явления.

 Также представляет большой интерес возможность наблюдения гамма-лучей и нейтронов высоких энергий от солнечных вспышек с разных направлений в Солнечной системе. Одновременная регистрация гамма-лучей и нейтронов из точки в окрестности Марса и от Земли  позволит провести стереоскопическое наблюдение активных областей Солнца. Такое «стерео-изображение» позволит построить трехмерную модель генерации жесткого электромагнитного и корпускулярного излучения в активных областях нашего светила. 

Таким образом, реализация комплексного эксперимента GRS с участием российского прибора HEND также позволит получить важные научные сведения о природе гамма-всплесков и о физике Солнца (см. таблицу 1).