Философ Николас Решер однажды написал: «Научные открытия часто делаются не на основе какого-то хорошо продуманного плана исследования, а благодаря какой-то чистой случайности».

Для группы исследователей из Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса (APL) в Лорел, штат Мэриленд, это утверждение было более чем верным.

То, что начиналось как пробный прогон, для обеспечения правильной работы приборов на космическом корабле НАСА MESSENGER, впоследствии превратилось в 10-летнюю сагу, в результате которой было сделано случайное открытие, не связанное с целевой планетой миссии — Меркурием. Это про Венеру и ее атмосферу.

20 апреля в журнале Nature Astronomy команда сообщила, что данные, случайно полученные MESSENGER, свидетельствуют о внезапном повышении концентрации азота на высоте около 50 км над поверхностью Венеры, демонстрируя, что атмосфера планеты не является однородно смешанной, как ожидалось. Это открытие нарушает понимание атмосферы Венеры, которая царила десятилетиями.

История началась в июне 2007 года, когда MESSENGER плыл над Венерой прежде чем повернуть к Меркурию. Команда использовала эту возможность, чтобы протестировать свои устройства и собрать данные, прежде чем через шесть месяцев начнут поступать данные с Меркурия.

Среди членов команды был Дэвид Лоуренс, физик-ядерщик в APL. Он был приборостроителем нейтронного спектрометра на аппарате MESSENGER, который обнаруживает нейтроны, выбрасываемые в космос космическими лучами, сталкивающимися с молекулами в атмосфере или на поверхности планеты. Он был заточен на то, чтобы найти характерные признаки нейтронов, исходящих от атомов водорода в молекулах воды, которые, как предполагалось (и впоследствии подтвердилось), были заморожены в тени кратеров на полюсах Меркурия.

Однако над Венерой Лоуренс просто хотел собрать некоторые данные, чтобы проверить правильность работы прибора. Первоначальная проверка показала, что прибор работает, а данные были представлены в виде таблицы.

Но в 2010 году Лоуренс пересмотрел эти измерения, на этот раз с Патриком Пепловски, другим физиком-ядерщиком в APL. Несмотря на 50 лет отправки роботизированных миссий на Венеру, включая 13 атмосферных зондов и посадочных аппаратов, сохранялась большая неопределенность относительно концентрации азота в атмосфере Венеры, особенно между 50 и 100 км над поверхностью.

Это озадачило Пепловски и Лоуренса, потому что азот — вторая наиболее распространенная молекула, находящаяся в атмосфере Венеры после углекислого газа.

«Неопределенность была не обязательно только в инструменте MESSENGER — она ​​могла быть на всей планете», — сказал Лоуренс.

Однако Лоуренс знал о работе 1962 года, в которой предполагалось, что нейтронная спектроскопия может помочь определить концентрацию азота в атмосфере Венеры. Азот достаточно хорош в поглощении свободных нейтронов, в отличие от углерода и кислорода, которые являются одними из самых худших. Таким образом, на Венере число нейтронов, которое детектирует прибор, должно зависеть от количества атмосферного азота.

Пара провела компьютерную симуляцию, которая разделяла атмосферу планеты толщиной 100 км на полосы, в которых они могли манипулировать концентрацией азота и реально моделировать, сколько нейтронов будет получать космический корабль.

Когда они сравнили свои модели с данными MESSENGER, они обнаружили, что наилучшее совпадение было, когда атмосферный азот составлял 5%. И все нейтроны пришли из области между 60 и 100 км над поверхностью — именно там, где была самая большая неопределенность.

«Это была большая удача», — сказал Пепловски.

Почему азот увеличивается на большой высоте, остается неизвестным. По словам Пепловски, их открытие вызвало не только удивление, люди были потрясены.

«Многие ученые казались удивленными», сказал Пепловски. «Идея о том, что в верхних слоях атмосферы концентрация азота выше, чем в нижних, находилась за пределами диапазона мысли людей».

Они зашли в этот тупик раньше, когда пытались получить финансирование для завершения исследования. Проекту трижды отказывали в деньгах, потому что он считался тупиком. Данные, в которых они нуждались, чтобы чувствовать себя уверенно в своих результатах и ​​завершить исследование, были по счастливой случайности получены от Джека Уилсона, ученого APL, который, как оказалось, анализировал те же данные от MESSENGER для несвязанного с ними проекта.

После того, как команда представила предварительные результаты во время конференции в 2016 году, Федеральное космическое агентство России упомянуло о своей миссии «Венера-Д» по изучению атмосферы и поверхности Венеры. В настоящее время в НАСА также на рассмотрении находятся две миссии — DAVINCI+ и VERITAS, обе из которых включают ученых из APL, а их целью является в более детальное изучение атмосферы Венеры.

Пепловски и Лоуренс говорят, что этот новый результат подчеркивает осторожность, в которой нуждаются исследователи, делая выводы об атмосфере, особенно с растущим интересом к атмосферам экзопланет.

«Мы все еще изучаем фундаментальные вещи о Венере и ее атмосфере, а это наш ближайший сосед», — сказал Пепловски. «То, что ученые могут с уверенностью говорить об атмосферах экзопланет, которые находятся на расстоянии сотен или тысяч световых лет, заслуживает сомнений».

Чтобы сделать строгие и убедительные выводы, требуется широкий спектр данных. Но для получения этих данных иногда может потребоваться лишь немного удачи.