Тайна меркурианских склонов: как космические лучи и машинное обучение помогли разгадать секрет «молодых» полос

Яркие полосы материала стекают по склонам многих кратеров Меркурия, но ученые долго не могли понять, как эти геологически молодые структуры, называемые склоновыми линеаментами, появились на, казалось бы, мертвой планете. Теперь исследователи применили машинное обучение для анализа более 400 таких образований, пытаясь разгадать их происхождение.

Анализ снимков миссии NASA MESSENGER (Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and Ranging), завершившей работу десятилетие назад, показал, что линеаменты словно стекают из ярких впадин на обращенных к Солнцу сторонах кратерных склонов. Причем появляются они преимущественно в кратерах, которые пробили тонкую вулканическую кору и добрались до богатого летучими веществами слоя под ней. Команда выдвинула теорию, что эти полосы могли образоваться, когда обнажившийся слой нагревался и выделял летучие вещества, такие как сера, которые затем стекали вниз по склону.

«Сейчас у нас есть современные подходы к анализу данных — машинное обучение, глубокое обучение — которые позволяют заглянуть во все эти старые наборы данных и совершить в них совершенно новые научные открытия», — говорит Валентин Бикель, планетарный геоморфолог из Бернского университета в Швейцарии и ведущий автор исследования.

Полосы и штрихи

MESSENGER находился на орбите Меркурия с 2011 по 2015 год, и наблюдения этих четырех лет остаются одними из лучших данных, которые у нас есть о самой маленькой планете Солнечной системы.

Снимки показали, что, хотя сегодня геологической активности почти нет, планета полна загадочных явлений.

Одно из таких странных явлений — склоновые линеаменты, тянущиеся от краев многих кратеров Меркурия. Снимки высокого разрешения с MESSENGER демонстрируют, что линеаменты Меркурия состоят из яркого материала и геологически молоды: у них четкие края и нет наложенных мелких кратеров. Однако до сих пор планетологи не проводили систематического анализа линеаментов, сосредоточившись вместо этого на изучении похожих, но гораздо более многочисленных ярких впадин.

Бикель и его команда решили восполнить этот пробел. Их инструмент машинного обучения проанализировал более 112 000 снимков MESSENGER с пространственным разрешением выше 150 метров, идентифицировал 402 отдельных линеамента и единообразно систематизировал их свойства.

«Первое, что мы, геологи, любим делать, — это наносить объекты на карту», — пояснил Бикель.

Он уточнил, что большинство снимков высокого разрешения с MESSENGER охватывают северное полушарие, поэтому 93% зарегистрированных линеаментов находятся именно там. Девяносто процентов из них расположены внутри кратеров. Их длина составляет сотни или тысячи метров, ширина — менее 20 метров, и находятся они на более крутых, чем в среднем, склонах. Большинство линеаментов берут начало в молодых ярких впадинах или структурах, похожих на впадины.

Но самая показательная общая черта линеаментов — их предпочтение обращенной к экватору стороне кратеров, то есть той, которая получает больше всего солнечного света.

Эта закономерность привела исследователей к их теории формирования. Удар обнажает неглубокий, но богатый летучими веществами коренный слой Меркурия. Инсоляция, или солнечное тепло, вытягивает из этих пород летучие газы, которые затем медленно сочатся вниз по склону кратера, оставляя после себя яркие отложения.

«Тот факт, что линеаменты находятся на склонах, обращенных к Солнцу, предполагает, что инсоляция может играть роль в активации процесса, — объяснил Бикель. — И когда инсоляция столь значима, это подразумевает участие летучих материалов. А в случае Меркурия они должны поступать из недр».

Результаты исследования были опубликованы в журнале Communications Earth & Environment.

Составляем полную карту

Сьюзан Конвей, планетарный геоморфолог из Национального центра научных исследований Франции (CNRS) в Нанте, отметила, что ученые уже давно согласны с тем, что яркие впадины Меркурия образуются в результате потери подповерхностных летучих веществ.

«Учитывая, что склоновые линеаменты часто берут начало в том, что выглядит как впадины на стене кратера, и имеют с ними одинаковый цвет, предположение о связи линеаментов с потерей летучих веществ выглядит вполне логичным», — написала Конвей в электронном письме.

Конвей, не участвовавшая в этом исследовании, добавила, что «склоновые линеаменты довольно распространены по всей Солнечной системе. На Марсе задокументировано несколько различных типов: склоновые полосы, которые считаются пылевыми лавинами, повторяющиеся склоновые линеаменты, происхождение которых все еще обсуждается и может быть связано с летучими веществами». Гранулярные потоки на Луне, а также линеаменты на Церере и некоторых ледяных лунах внешней Солнечной системы также напоминают меркурианские.

Однако добрых 10% известных линеаментов Меркурия не привязаны к кратерам, и, наоборот, существует множество кратеров со впадинами, но без линеаментов. Бикель считает, что там, вероятно, действуют иные механизмы.

«BepiColombo сделает снимки всей поверхности с таким разрешением, которое позволит нам увидеть большинство склоновых линеаментов».

К счастью, планетологам не придется долго ждать проверки этой теории. Космический аппарат BepiColombo достигнет Меркурия в ноябре и начнет научные операции в начале 2027 года. Совместная миссия Европейского космического агентства и Японского агентства аэрокосмических исследований сделает снимки большей части поверхности планеты, чем MESSENGER, и с неизменно более высоким пространственным разрешением.

Бикель и другие исследователи Меркурия ожидают, что BepiColombo запечатлеет больше склоновых линеаментов по всей планете, включая более мелкие, более тусклые образования, а также линеаменты в южных широтах. Он, вероятно, повторно отснимет некоторые районы с высокой плотностью линеаментов и покажет, изменились ли полосы за 16 лет, прошедших с момента последних снимков MESSENGER. Миссия может даже сделать повторные кадры нескольких мест, что позволит ученым увидеть, меняются ли линеаменты за короткие промежутки времени.

«BepiColombo сделает снимки всей поверхности с таким разрешением, которое позволит нам увидеть большинство склоновых линеаментов, — сказала Конвей. — Мы получим полную картину их пространственного распределения, что позволит нам лучше проверить гипотезу о ведущей роли летучих веществ».