Искусственный интеллект находит марсианские кратеры — источники метеоритов

С помощью модели машинного обучения удалось определить место рождения одного из метеоритов марсианского происхождения. Породы упавшего в 2011 году в Сахаре крупного метеорита под названием Black Beauty имеют возраст 4,5 миллиарда лет и представляют одну из древнейших геологических находок. Сопоставление геологической и геохимической истории метеорита и параметров 90 миллионов кратеров на Марсе позволило выявить локацию в южном полушарии Красной планеты, которая могла породить метеорит. Так, горные породы, слагающие метеорит, были выброшены на поверхность Марса в результате образования ударного кратера 1,5 миллиарда лет назад, а несколько миллионов лет назад падение астероида неподалёку выбросило это вещество в открытый космос.

Метеорит с обозначением NWA 7034 и неформальным именем Black Beauty упал в Сахаре в 2011 году. Обозначение NWA этой группы указывает на общую локацию находок — Северо-Западная Африка. Его масса чуть больше 300 граммов, и среди составляющих его пород обнаружили циркон, который позволил определить возраст его материала в 4,5 миллиарда лет. Таким образом, находка оказалась одной из самых древних пород, которые когда-либо попадались геологам. Современные методы геохимии позволяют идентифицировать место рождения метеорита — Марс. Таких «марсианских» метеоритов на Земле насчитывается около трёх сотен (среди 70 тысяч классифицированных метеоритов). Об их происхождении можно узнать, изучая химический и изотопный состав пород: он оказывается совместимым с данными о составе пород и атмосферы Марса, о которых мы знаем из разных источников: по данным орбитальных аппаратов и марсианских станций и кардинально отличным от «обычных» метеоритов. Самый крупный из таких метеоритов весит 14 кг, и его нашли совсем недавно — в 2021 году.

Планетологи не оставляют попыток определить происхождение марсианских метеоритов более точно — в частности, разыскать кратер на Марсе, из которого тот или иной метеорит был в своё время выбит при ударе очередного астероида. На первый взгляд такая задача кажется неразрешимой на современном уровне технологий, однако попытки идентифицировать соответствующие регионы на Марсе ведутся последний десяток лет. Так, выделяют три группы марсианских метеоритов, различающиеся по минеральному составу; возможно, метеориты внутри групп или их подгрупп имеют общее происхождение, но здесь мнения планетологов пока расходятся. Африканский метеорит Black Beauty не подпадает ни под одну из трёх категорий и обладает весьма необычным составом по сравнению с другими. Он состоит из вулканической брекчии и имеет в составе своих пород значительно (в разы) больше воды, чем другие марсианские метеориты. Отыскать место его рождения помогла модель искусственного интеллекта. В распоряжении планетологов имеется база из 90 миллионов кратеров на Марсе, составленная по снимкам марсианских спутников. Для её создания также использовались алгоритмы машинного обучения (см. статью об аналогичном применении искусственного интеллекта для подсчёта кратеров на Луне).

Исходный пункт в рассуждениях: скорее всего, метеорит был выбит с поверхности Марса при падении крупного астероида. Это соударение было достаточно мощным для выброса в космос камней с большой начальной скоростью — не менее 5 км/с. Такая минимальная скорость необходима для того, чтобы тело могло преодолеть притяжение Марса и отправиться в свободный полёт в космосе. На Земле, например, соответствующая скорость (первая космическая скорость) составляет около 8 км/с. Такой сильный удар должен оставить после себя крупный кратер. В нашем распоряжении есть достаточно данных по механике подобных соударений, которые позволяют утверждать, что образовавшийся кратер должен иметь диаметр не менее 3 км. Таких кратеров на Марсе уже не 90 миллионов, а всего 80 тысяч.

Следующим звеном оказались данные по экспонированию метеорита космическим излучением. Из них можно заключить, что метеорит оторвался от места дислокации на поверхности не позже 5 миллионов лет назад. Итак, нужно искать среди марсианских кратеров 1) достаточно крупные и 2) достаточно молодые. Хоть это ещё больше сужает диапазон поиска, но нетрудно догадаться, что подходящих кандидатур всё же остаётся изрядное количество.

Сузить диапазон поиска до разумного количества кандидатов помогают геохимические данные. Так, по ним можно установить, что материал метеорита 1,5 миллиарда лет назад подвергся резкому и интенсивному нагреву. Это, скорее всего, произошло также в результате удара астероида поблизости. Геологи в таких случаях говорят, что произошло открывание геохимической системы. После первоначального формирования породы и её достаточного остывания время, прошедшее с момента этого события определяют радиометрически, анализируя содержание радиоактивных элементов. Как правило, работают с двумя изотопами урана 235U и 238U, период полураспада которых исчисляется миллиардами лет, но есть и другие радиоактивные элементы — «маркеры времени». Если на каком-то этапе впоследствии порода сильно нагрелась, то такие радиоактивные часы «сбрасываются» и отсчёт геологического времени начинается сначала. Такое событие в истории метеорита и датировали возрастом полтора миллиарда лет. Значит, необходимо отыскать рядом второй кратер соответствующего возраста: падение крупного метеорита должно было извлечь на поверхность материал возрастом 4,5 миллиарда лет (возраст пород Black Beauty) и запустить в нём заново геологические часы.

Используя алгоритмы машинного обучения и суперкомпьютер, планетологи «просеяли» 90 миллионов кратеров в марсианской базе и нашли всего 19 кратеров-кандидатов, которые и вошли в шортлист подозреваемых. Дальнейшее определение «победителя» уже проводилось вручную путём анализа снимков высокого разрешения с марсианских орбитальных аппаратов. Статья планетологов из австралийского университета в г.Перт (Curtin University) с результатами такого анализа в июле 2022 года вышла в Nature Communications.

Итак: порода, которая впоследствии стала метеоритом Black Beauty, была выбита из места залегания примерно полтора миллиарда лет назад ударом астероида, который сформировал 40-километровый кратер под названием Khujirt. Всё это время она пребывала в виде брекчии (сцементированных разнородных обломков пород) на поверхности планеты или на некоторой глубине, пока недавно, то есть несколько миллионов лет назад, рядом не упал другой астероид. Он сформировал 10-километровый кратер Karratha и выбил обломки марсианской породы в плавание по космическому пространству. Один из этих обломков в 2011 году приземлился в Сахаре. Напомним, что возраст структур на поверхности космических тел, с которых у нас нет образцов, определяют по плотности метеоритных кратеров на этом участке: чем их больше, тем древнее участок. Подробнее об этом можно прочитать во вставке к недавней статье о геохронологии Луны.

Для однозначной идентификации кратера потребовались и другие геологические свидетельства. В частности, породы в этой области в южном полушарии Марса имеют особенность: в них повышена концентрация калия и тория. Об элементном составе марсианских пород мы можем судить по детальной съёмке аппарата Mars Reconnaissance Orbiter в разных диапазонах волн. Недавно по результатам его работы была опубликована первая детальная карта марсианской поверхности, показывающая распределение минералов и химических элементов в зависимости от региона планеты (об этом можно подробнее прочитать в другой статье). Такими же особенностями обладает и наш метеорит. И, наконец, ещё одной зацепкой стала высокая намагниченность образца. Но область кратера Karratha как раз лежит на участке Марса с аномальной намагниченностью. Магнитное поле на Марсе в настоящее время практически отсутствует. На Земле и, скорее всего, на других планетах оно вызывается движением расплавленного металлического ядра, и в конечном итоге его наличие или отсутствие оказывается связанным с динамикой литосферных плит на планете. На Марсе, в отличие от Земли, такие геотектонические процессы (почти) отсутствуют, но, возможно, ситуация была иной в отдалённом прошлом, когда Марс больше напоминал Землю. Реликтом этих древних процессов являются области с аномально высокой намагниченностью в южном марсианском полушарии; в частности, это провинция Киммерия—Сиренум (Terra Cimmeria—Sirenum), где расположен кратер Karratha. Поэтому среди прочих на происхождение метеорита указывает и его геомагнитный «отпечаток».

Очевидно, методику можно использовать и для нахождения исходных кратеров других марсианских метеоритов. Кроме того, алгоритм машинного обучения на следующем этапе предполагается адаптировать для аналогичной задачи на Луне и Меркурии.

Источник: XX2 век