Наука изучающая луну


Наука изучающая луну

У Земли и Луны весьма непростые взаимоотношения. После активного и тесного общения в 60-е и 70-е, после высадок астронавтов и поездок луноходов, после доставки и изучения грунта, мировая космонавтика практически забыла о спутнике Земли, сконцентрировав деятельность на других направлениях. Это даже стало причиной появления мифа будто кто-то или что-то запретило людям изучать Луну. Однако исследования продолжаются, причем довольно активные, об этом сегодня и поговорим.

После старта возвращаемого модуля АМС «Луна-24», и доставки последней щепотки реголита между Землей и Луной остался только вакуум. Лишь спустя 14 лет космонавтика стала возвращаться к Луне. Правда о пилотируемых путешествиях пока забыли — слишком невыгодное соотношение между затратами и научно-практической пользой от полета. Поэтому сейчас летают, в основном, спутники, слетал один луноходик, и готовятся другие посадочные аппараты.

В 90-е гг. первыми к Луне вернулись японцы, снарядившие миссию Hiten.


Наука изучающая луну

Спутник, по большей части, предназначался только для отработки технологии перелетов, гравитационных маневров, аэродинамического торможения в атмосфере Земли, т.е. учились летать между Землей и Луной. На борту у него был микроспутник, который хотели выбросить на окололунной орбите, но аппарат не включился.

В 1994-м году к Луне отправился американский исследовательский аппарат Clementine.

Наука изучающая луну

Ее тоже использовали для тестов и изучения влияния дальнего космоса на электронику, но к этому добавили еще и несколько приборов: ультрафиолетовый и инфракрасные спектрометры, и камеру высокого разрешения с шестью цветными фильтрами на колесе (подробнее о том, как изучаются планеты c помощью оптики). Благодаря им удалось начать геологическое картографирование Луны.

Наука изучающая луну

Был еще лазерный высотомер для создания трехмерной карты лунной местности. На основе данных Clementine удалось создать приложение Google Moon, которое потом дополнили снимками с орбитальных модулей Apollo, и японской автоматической Kaguya.

Снимки камеры высокого разрешения Clementine оказались не особо-то высокого разрешения — от 7 до 20 метров, т.к. спутник летал на высоте около 400 км — с такого расстояния много не рассмотришь.


Наука изучающая луну
Снимок в расширенных цветах, позволяющий увидеть различия геологических пород.

Зато благодаря Clementine ученые получили первые косвенные данные о наличии на полюсах Луны воды в повышенной концентрации.

Следом, в 1998 году, полетел Lunar Prospector, тоже от NASA.

Наука изучающая луну

Его камерами вообще не оборудовали, и устроен он был довольно примитивно, но он смог провести первое геологическое картографирование Луны при помощи нейтронного датчика и гамма-спектрометра. Спутнику удалось определить, что на полюсах Луны вода может достигать концентрации 10% в грунте.

Наука изучающая луну

Применение гамма-спектрометра (подробнее о том, как изучают планеты с помощью радиации) позволило определить распределение по поверхности кремния, железа, титана, алюминия, фосфора и калия. Проведены более точные измерения гравитационного поля, выявлены новые неоднородности — масконы.


Наука изучающая луну

В 2000-х к "лунному клубу" стали присоединяться новые участники. В 2003 году Европейское космической агентство запустило экспериментальную миссию Smart-1. Задачи полета тоже были по большей части технологические — Европа училась использовать плазменный двигатель для перелетов в дальнем космосе. Но кроме этого имелись и бортовые камеры: для съемки в видимом и инфракрасном диапазонах.

Наука изучающая луну

Камера у Smart -1 была небольшая, а орбита высокая: от 400 до 3000 км, поэтому кадры получались в основном широкоугольные и низкого разрешения. Наиболее детальные кадры были всего 50 м на пиксель, а глобальную карту удалось построить только из кадров в 250 м на пиксель. Хотя вначале миссии ставились цели рассмотреть Apollo и Луноходы, но не сложилось — для них нужно разрешение менее метра. Зато рассмотрели пики вечного света на полюсах.

Наука изучающая луну

Smart-1 опробовал лазерную связь с Землей еще когда летел к Луне. Передавать данные по лучу тогда не предполагали, только попытались пострелять в однометровый телескоп обсерватории на острове Тенерифе. Цель была — изучить влияние земной атмосферы на луч. Попытка оказалась удачной — в телескоп попали, но развивать технологию не стали — радио показалось надежнее.


Тут надо отвлечься и ответить на вопрос, который наверняка уже у многих возникал: почему нельзя спуститься пониже, чтобы снимки поверхности были качественнее? Вроде бы атмосферы нет, летай хоть на 10 метра! Но с Луной не все так просто. И атмосфера с пылью там какая-никакая есть, но ей можно пренебречь, а пренебрегать нельзя масконами. Маскон — это локальное увеличение гравитационного поля.

Гравитационное поле Луны неоднородно.

Moon XXI (2).gif

Предположим мы летим на высоте 10 км над однородной равниной. Сила притяжения действующая на аппарат имеет одно неизменное значение. Мы его компенсируем ускорением двигательной установки набираем первую космическую скорость, и можем летать на этой высоте бесконечно, если нам ничто не помешает. Но если мы будем летать не вокруг гигантского бильярдного шара, а вокруг, к примеру, Луны, то равнина быстро кончится. И встретится нам, к примеру, горный хребет, высотой 5 км. Что будет с гравитационным полем? Правильно: притяжение аппарата возрастет. Этакая гравитационная выбоина на орбите спутника. И чем ниже спутник прижимается к поверхности, тем более мелкие "выбоины" начинают на него оказывать воздействие.


Наука изучающая луну

Луна же еще сложнее. Когда-то на нее падали огромные астероиды, которые пробивали кору, и вызывали поднятие более плотной мантийной породы к дневной поверхности. А дневная поверхность сложена из более рыхлых вулканических пород. В результате мы получаем относительно гладкую равнину, с разнородным гравитационным полем. Мантийное вещество более плотное и массивное, т.е. притягивает сильнее и получается эквивалент гравитационной "горы". Это, собственно, и называется маскон — концентратор массы.

В 2007 году к Луне отправилась японская Kaguya. Научившись летать к естественному спутнику Земли, японцы решили усердно заняться его изучением. Масса аппарата достигала почти 3 тонн — проект назвали “самой масштабной лунной программой после Аполлона”.

Наука изучающая луну

На борту были установлены два инфракрасных, рентгеновский и гамма-спектрометр для изучения геологии. Заглянуть глубже в недра должен был прибор Lunar Radar Sounder.

Наука изучающая луну

Kaguya сопровождалась двумя малыми спутниками-ретрансляторами Okina и Ouna, каждый массой по 53 кг. Благодаря ним удалось исследовать неоднородности гравитационного поля на обратной стороне — составить более подробную карту масконов. Kaguya сначала летала на высоте 100 км, потом снизилась до 50 км, наснимала шикарные кадры лунных пейзажей, и прекрасный закат Земли, но увидеть Apollo или Луноходы не смогла — разрешения камеры не хватило.


Наука изучающая луну

За два года работы Kaguya аппарат смог получить богатый набор данных со своих приборов, желающие могут посмотреть фоточки и видео с лунной орбиты. Открыт для всех и архив научной информации — бери не хочу.

Вслед за Kaguya к Луне отправились новички: индийцы и китайцы. У них сейчас разворачивается целая лунная гонка, в беспилотном режиме.

В 2008 году к Луне стартовала первая в дальнем космосе автоматическая миссия Индии — Chandrayaan-1.

Наука изучающая луну

Аппарат нес несколько индийских и несколько иностранных приборов, среди которых были инфракрасные и рентгеновские спектрометры. На борту была установлена стереокамера, которая снимала поверхность с детализацией до 5 метров.

Наука изучающая луну

Интересное исследование было проведено американским прибором — небольшим радаром с синтезированной апертурной решеткой. Ученые хотели выяснить запасы льда на лунных полюсах. После нескольких месяцев работы, полюса были как следует осмотрены и первые отчеты были весьма оптимистичны.


Радар определял рассеяние радиоволн на различных элементах рельефа. Повышенный коэффициент рассеяния мог возникать на раздробленных элементах породы, как писалось в отчетах “roughness” — шероховатостях. Похожий эффект могли вызывать и залежи льда. Анализ приполярных областей показал два типа кратеров, которые демонстрировали высокую степень рассеяния. Первый тип — молодые кратеры, они рассеивали радиолуч не только на дне, но и вокруг себя, т.е. на породе, которая была выброшена при падении астероида. Другой тип кратера — “аномальный”, рассеивали сигналы только на дне. Причем отмечалось, что большинство таких аномальных кратеров находится в глубокой тени, куда никогда не попадают лучи солнца. На дне одного из таких кратеров зарегистрировали температуру, вероятно самую низкую на Луне, 25 Кельвинов. Ученые NASA пришли к выводу, что радар видит на склонах “аномальных кратеров” отложения льда.

Наука изучающая луну

Оценки ледяных залежей по данным радара Chandrayaan-1 примерно подтверждали оценки нейтронного детектора Lunar Prospector — 600 млн тонн.

Позже китайские ученые провели свое независимое исследование на основе данных Chandrayaan-1 и LRO и пришли к выводу, что “нормальные” и “аномальные” кратеры на Луне ничем не отличаются по коэффициенту рассеяния ни у полюсов, ни у экватора, где льда не ожидается. Они же напомнили, что исследование с Земли при помощи радиотелескопа Аресибо не обнаружило никаких залежей льда. Так, что лунные запасы воды по-прежнему хранят тайну и еще ждут своего первооткрывателя.


Chandrayaan-1 нес еще один интересный прибор — Moon Mineralogy Mapper — инфракрасный гиперспектрометр для геологического картографирования Луны в высоком разрешении. Он тоже дал противоречивые результаты. Во-первых, в очередной раз подтвердил повышенное содержание воды или водородсодержащих минералов в приполярных регионах. Во-вторых, нашел признаки воды и гидроксила в тех местах, где Lunar Prospector не показывал никаких признаков повышенного содержания водорода.

Наука изучающая луну

Проблема с Moon Mineralogy Mapper в том, что он анализировал буквально верхние миллиметры грунта, и та вода, которую он нашел, может быть результатом воздействия солнечного ветра на лунный реголит, а не указывать на богатые залежи в недрах.

Наука изучающая луну

К сожалению миссия Chandrayaan-1 прекратилась раньше запланированного из-за технической неисправности на аппарате — он не проработал и года. Сейчас Индия готовится осуществить посадочную миссию и высадить мини-луноход.

Дальше всех из “новичков” в изучении Луны продвинулся Китай. На его счету два спутника, один луноход и один технологический облет Луны с возвращением капсулы — так они готовятся к доставке лунного грунта, а в перспективе и к пилотируемому полету. Об их достижениях и планах, а также об американской лунной программе XXI века мы поговорим отдельно.

Источник: habr.com

История исследования


Изучение Луны космическими аппаратами  началось в январе 1959 году с помощью советской автоматической станции «Луна-1». Станция пролетела на расстоянии 6 тысяч километров зафиксировав отсутствие магнитного поля. Последующие станции 4 октября 1959 года смогли передать изображение оборотной стороны. Вплоть до 1966 года было запущено 11 автоматических станций.изучение Луны

При первом же взгляде на Луну можно видеть две разных части – темные, неправильно называемые морями (с водой и морем они не имеют ничего общего), и светлые – материки, которые занимают 80 % поверхности Луны. Материал, образующий обе части, отличается химическим и минералогическим составом. Следует заметить, что на противоположной стороне Луны находятся только светлые, материковые горные породы. Поверхность Луны усеяна разного размера кратерами.


Возникновение кратеров является исключительно важным процессом формирования и образования лунной поверхности. Их количество на данной территории является хорошим критерием для определения возраста этой части. кратеры лунной поверхности В наиболее древних частях гораздо больше кратеров, чем в более молодых.
Раньше на Луне были  активные вулканы, из которых выливалась лава заполнившая крупные углубления возникшие в результате столкновения Луны с метеоритами. На этих местах возникли нынешние темные моря.

Самой замечательной вехой в истории изучения Луны была высадка 21 июля 1969 года в рамках лунной экспедиции корабля «Аполлон 11» астронавтов США Нила Армстронга (Neil Alden Armstrong) и  Эдвина Олдрина (Edwin Eugene Aldrin). Они провели на спутнике Земли 2,5 часа, собрали более 400 кг образцов, установили на  поверхности сейсмографы, определили количество испускаемого тепла, измерили  магнитное поле и силу тяжести на разных местах. До пилотируемого полёта в качестве подготовки в США было запущено несколько беспилотных миссий как  «Ranger» (1961—1965), «Surveyor» (1966—1968) и «Lunar Orbiter» (1966—1967).

СССР не запускал космонавтов на спутник, но проводил изучение Луны с помощью двух радиоуправляемых самоходных аппаратов, «Луноход-1» в ноябре 1970 г. и «Луноход-2» — в январе 1973 г. «Луноход-1»  проработал  10,5  месяцев, «Луноход-2» — 4,5  месяцев.

Оба аппарата  передали  достаточное количество данных о лунном грунте и  фотоснимков  лунного рельефа.

Цель исследования

Что из всего этого изучения следует?

Изучение Луны показало, что и как все остальные планеты, она имеет слоистое строение и горные породы на её поверхности иные, чем внутри.
Исследование Луны позволило сделать вывод что это тело, которое развивалось совершенно самостоятельно, как, например, Земля или любая другая планета. Изучение образцов лунной поверхности и почвы позволили людям объяснить некоторые черты метеоритов, бывшие до того времени неясными. Именно благодаря тому, что люди привезли на Землю образцы лунной поверхности, они могут теперь принимать данные, посылаемые автоматическими станциями. Расшифровывая данные можно  изучать  влияние вулканической деятельности, в результате которой возникла газовая оболочка нашей планеты, а также вся поверхностная вода в виде гидросферы Земли.

Данные, полученные в результате изучения лунной поверхности, можно использовать и при изучении ранней истории формирования земной поверхности. Так, в этой связи были открыты в том числе и на Земле ударные кратеры, возникшие в результате столкновения  с большими метеоритами.

У Луны есть в Солнечной системе множество родственников. Например, самую близкую к Солнцу планету Меркурий на некоторых снимках трудно от нее отличить. Поверхность Меркурия тоже покрыта бесчисленным количеством кратеров разных размеров и высоты, однако их физические свойства весьма различны. У Меркурия есть, по всей вероятности, довольно большое металлическое ядро. Об этом же свидетельствует и сильное магнитное поле этой планеты. Так что, хотя поверхность Луны и Меркурия похожа, их внутренняя структура раздельна. Черты поверхности Меркурия также показывают, что, наряду с кратерообразованием, важную роль в формировании лица этой планеты играло ее сжатие и силы прилива и отлива (взаимное притяжение космических тел). И только вулканическая деятельность поверхности, если она была, выражалась значительно слабее, чем на Луне.

Современное исследование спутника Земли

В настоящее время изучение Луны в рамках государственных программ ведущих космических держав США и России практически снизилось, но ускоренно проводится такими  странами как Китай, Индия, Япония.

В рамках частных коммерческих исследований выполняются работы в части колонизации (поселения людей) на спутнике и поиски  полезных ископаемых. Так обнаружено, что в поверхностном слое сыпучего лунного грунта реголите обнаружен редкий на Земле изотоп гелий-3. реголит Изотоп Гелий-3  может  использоваться в качестве топлива для будущих термоядерных реакторов. Применение Гелия-3 в земной энергетике по предварительным подсчетам  коммерчески выгоден. Возможно это даст всплеск интереса к этому самому близкому небесному телу.

Таким образом, изучение Луны продолжается в части использования её полезных ископаемых, для космического туризма, в качестве стартовой площадки для исследования удалённых областей Вселенной.

Источник: v-nayke.ru

Антон Первушин
«Троицкий вариант — Наука» №14(283), 16 июля 2019 года

20 июля 1969 года на лунную поверхность впервые ступили двое землян — астронавты Нил Армстронг и Эдвин Олдрин из экипажа космического корабля «Аполлон-11». За ними последовали еще шесть экспедиций к Луне, пять из которых тоже прошли успешно. Триумф величайшего технического достижения и мощнейший геополитический резонанс затмили научное значение программы «Аполлон», и сегодня мало кто способен вспомнить, какие новые знания дало нам непосредственное изучение Луны.

На заре космической эры селенологи благодаря астрономическим наблюдениям могли уверенно утверждать: на Луне нет атмосферы, водных ресурсов и каких-либо развитых форм жизни. Вероятно, она внутренне однородна и тектонически мертва. Однако не было ясности, можно ли распространить результаты наблюдений на обратную сторону Луны, ведь среди прочего обсуждалась гипотеза существования там глубочайших впадин, где вполне могли сохраниться «остатки древней атмосферы» и условия для появления жизни. Вопрос был прояснен в октябре 1959 года, когда советская станция «Луна-3» передала изображения обратной стороны: хотя рельеф поверхности там отличается (больше горных районов, меньше заметных кратеров и «морей»), каких-то аномалий, указывающих на места возможного обитания инопланетян, не обнаружили.

В то же самое время было поставлено под сомнение утверждение об отсутствии тектонической активности на Луне. Астрофизик Николай Козырев, проводивший наблюдения с помощью спектрографа Харьковской обсерватории, 3 ноября 1958 года зафиксировал мощное вулканическое извержение в лунном кратере Альфонс, что добавило аргументов сторонникам теории эндогенной природы лунного рельефа1.

Еще более неожиданное открытие было сделано с помощью американского космического аппарата «Лунар орбитер — 5», запущенного 1 августа 1967 года и выведенного на околополярную селеноцентрическую орбиту. Во время его движения над круглыми «морями» были замечены регулярные «всплески» в величинах ускорений аппарата, связанные с усилением гравитационного поля. Самая значительная аномалия была выявлена над Морем Дождей. Ученые предположили, что там имеются избыточные массы, которые получили название масконы (от mass concentrations). Вначале селенологи были озадачены аномалиями, однако вскоре появилась гипотеза, что под круглыми «морями» находятся остатки гигантских железоникелевых метеоритов или больших планетезималей, состоявших из пыли протопланетного диска2.

Впрочем, наиболее популярной темой для дискуссий оставалась существенная разница в средней плотности Луны и Земли (3,3 г/см3 против 5,5 г/см3), вычисленная в XIX веке. Если оба тела сложены из похожих пород, то чем объяснить разницу? Может быть, внутри Луны имеются обширные полости? Но как они сформировались? В попытках ответить на эти вопросы были сформулированы три теории происхождения Луны3.

Теория отрыва утверждала, что юная Протоземля очень быстро вращалась, совершая полный оборот за четыре часа. Из-за резонанса, вызванного совпадением частоты собственных колебаний нашей планеты с частотой солнечных приливов, высота последних росла до тех пор, пока один из приливных горбов не оторвался, превратившись затем в естественный спутник. Поскольку на орбите оказался только верхний фрагмент Протоземли, то Луна лишена металлического ядра, а ее средняя плотность соответствует земной мантии. Местом отрыва Луны, вероятно, является бассейн Тихого океана. Предложенная теория на некоторое время стала общепризнанной. Однако позднее расчетами было показано, что даже столь быстрого вращения недостаточно для отрыва от Протоземли сколько-нибудь значимой массы. Кроме того, теория не объясняла, откуда у формирующейся планеты возник высокий момент импульса и куда он потом делся.

На смену прежней пришла теория захвата. Согласно ей, Луна сформировалась отдельно от нашей планеты где-то в Солнечной системе (например, в главном поясе астероидов), а затем была притянута гравитацией в момент взаимного сближения. В изначальном варианте теория не объясняла, как произошло рассеивание кинетической энергии при захвате, и сторонникам приходилось вводить новые допущения: Протолуна вращалась в другую сторону, ее орбита имела высокий эксцентриситет и т. п. Нобелевский лауреат Гарольд Юри предположил, что существовало несколько протолун на близком расстоянии от Протоземли; в какой-то момент они столкнулись, потеряв кинетическую энергию и образовав единое тело. Сторонники теории понимали, что такое событие уникально, поэтому маловероятно. Требовалось материальное подтверждение в виде лунного грунта: если бы его анализ показал, что Луна моложе Земли, а в составе преобладают вещества, характерные для пояса астероидов, то теорию можно было бы объявить реалистичной.

Параллельно развивалась теория «двойной планеты», гласящая, что Земля и ее спутник сформировались путем аккреции из протопланетного облака на общей селеноцентрической орбите поблизости друг от друга. Главная проблема теории заключалась в том, что без введения множества допущений она не объясняла, почему именно наша планета стала «двойной», а близкие по размеру Венера и Марс — нет, и почему Луна имеет аномально низкую плотность.

Среди селенологов не было единства и по другим вопросам — возраста Луны и деталей ее поверхности, эндогенного или экзогенного происхождения ее рельефа, состава и структуры ее недр и т. п. Космические аппараты серий «Луна» и «Сервейор» (Surveyor), сумевшие прилуниться, развеяли лишь сомнения в том, что там можно совершить нормальную посадку, но не давали надежных свидетельств в пользу какой-либо из перечисленных теорий. С определенного момента стало ясно, что без экспедиции с участием астронавтов невозможно разрешить ни один из многолетних споров.

В течение четырех лет состоялось девять пилотируемых полетов к Луне: «Аполлон-8» (21.12.1968–27.12.1968), «Аполлон-10» (18.05.1969–26.05.1969), «Аполлон-11» (16.07.1969–24.07.1969), «Аполлон-12» (14.11.1969–24.11.1969), «Аполлон-13» (11.04.1970–17.04.1970), «Аполлон-14» (31.01.1971–09.02.1971), «Аполлон-15» (26.07.1971–07.08.1971), «Аполлон-16» (16.04.1972–27.04.1972) и «Аполлон-17» (07.12.1972–19.12.1972). Первые два полета были испытательными и прошли без высадки на лунную поверхность. Экспедиция «Аполлона-13» не смогла реализовать программу миссии из-за аварии на борту корабля. В итоге на Луне побывали только двенадцать астронавтов, которые опускались туда внутри лунных модулей (Lunar Module, LM), оставляя командно-служебный модуль (Command and Service Module, CSM) корабля с одним членом экипажа на селеноцентрической орбите. После выполнения программы экспедиции астронавты стартовали во взлетной кабине, стыковались с командно-служебным модулем, а кабину сбрасывали, направляя ее в сторону Луны. С каждым новым полетом время работы на поверхности увеличивалось (для сравнения: командир «Аполлона-11» Нил Армстронг работал вне модуля 2 часа 21 минуту, а командир «Аполлона-17» Юджин Сернан оставался снаружи в общей сложности 22 часа 2 минуты)4.

Первые значимые открытия были сделаны еще при осуществлении экспедиции «Аполлона-11». 20 июля 1969 года астронавты Нил Армстронг и Эдвин Олдрин совершили посадку в модуле «Орёл» (Eagle) на площадку в юго-западной части Моря Спокойствия. Осмотр места прилунения подтвердил сведения, полученные беспилотными аппаратами: поверхность однозначно твердая и покрыта пластом рыхлой обломочной породы, названной реголитом и образовавшейся в результате эрозионных экзогенных процессов (под метеоритной бомбардировкой в условиях вакуума, жесткого солнечного облучения и значительных перепадов температур). Грунт усыпан довольно крупными обломками, которые, вероятно, выброшены из кратеров. Внутри кратеров Армстронг разглядел россыпи стеклянных «капель», которые озадачили селенологов. Позднее при лабораторном анализе в лунных образцах было обнаружено множество подобных «капель» — скорее всего, они образуются при испарении и осаждении лунного вещества при ударе метеорита5.

Во время вылазки астронавты использовали стереокамеру, которая устанавливалась вертикально и позволяла заснять «девственную» поверхность с очень близкого расстояния. На некоторых снимках запечатлена необычная деталь: пятна тонкого слоя «глазури» на частицах грунта. Астрофизик Томас Голд предположил, что сравнительно недавно (не позднее 100 тыс. лет назад) Луна подверглась внезапному нагреву в результате мощнейшей солнечной вспышки, при которой на полторы минуты радиация возросла на два порядка6.

Хотя работа вне «Орла» была кратковременной, астронавты успели собрать образцы пород и установить комплект научных приборов EASEP (Early Apollo Surface Experiments Package), включавший уголковый отражатель LRRR (Laser Ranging Retroreflector), сейсмическую станцию PSEP (Passive Seismic Experiment Package) и ловушку солнечного ветра SWC (Solar Wind Composition).

Отражатель LRRR представлял собой панель из ста небольших кварцевых уголковых призм размером 3,8 см; он создавался для уточнения селенографических и геодинамических данных. 1 августа 1969 года Ликская астрономическая обсерватория в Калифорнии отыскала его лазерным лучом и получила уверенный ответный сигнал.

Станция PSEP, питаемая солнечными батареями, состояла из четырех сейсмометров. Ее чувствительность была такова, что после включения PSEP «заметила» шаги астронавтов. К сожалению, станция проработала всего три недели, но успела зафиксировать несколько лунотрясений.

Ловушка SWC выглядела как лист сверхчистой алюминиевой фольги размером 30×140 см, закрепленный на вертикальном телескопическом штыре. Смысл эксперимента состоял в том, чтобы исследовать молекулярную структуру солнечного «ветра» через определение изотопного состава гелия, неона и аргона. В лаборатории лист, доставленный с Луны, поместили в вакуумную камеру, где нагрели до частичного расплавления, — содержание выделившихся газов изучалось с помощью масс-спектрометра7.

Наибольший интерес селенологов вызвали образцы лунного грунта. Хотя они были собраны впопыхах, первичный анализ позволил сделать вывод: поверхностные породы Моря Спокойствия схожи с земными базальтами, а их возраст составляет не менее 3,3 млрд лет. Вместе с данными сейсмометра эти сведения поставили под сомнение теорию захвата Луны и свидетельствовали в пользу теории «двойной планеты». Получалось, что Луна не могла сформироваться где-то вдали от современной орбиты и остается тектонически активной8.

При этом ученые не обнаружили каких-либо следов воздействия воды и водосодержащих минералов. Не подтвердилась и гипотеза о наличии микроорганики на Луне. Чтобы не допустить взаимного биологического «заражения», специалисты стерилизовали космические аппараты, а экипажи после возвращения проходили строгий карантин. Меры предосторожности оказались лишними: исследование грунта на наличие органики показало, что ее содержание в среднем не превышает десяти частей на миллион, а такое количество объясняется загрязнением образцов внутри космического корабля9.

Одной из важнейших задач полета «Аполлона-12» было прилунение поблизости от космического аппарата «Сервейор-3», который с апреля 1967 года находился на территории Океана Бурь (Oceanus Procellarum). Посадка модуля «Неустрашимый» (Intrepid) состоялась 19 ноября 1969 года. Выполняя работы на поверхности, астронавты Чарлз Конрад и Алан Бин заметили, что ноги при ходьбе глубоко погружаются в грунт, а пробоотборник удалось ввести на полную длину — около 70 см (для сравнения: у экипажа «Аполлона-11» не получилось взять пробы глубже 15 см). Кроме того, образцы, доставленные на Землю, оказались намного моложе — средний возраст кристаллических пород составил 2,3 млрд лет10.

В ходе первой вылазки астронавты развернули ловушку солнечного ветра SWC (Solar Wind Composition) и полноценную научную станцию ALSEP № 1 (Apollo Lunar Surface Experiments Package). Центральный блок станции включал коммуникационное оборудование, кабели и радиоизотопный генератор SNAP-27 с плутониевым элементом. Рядом астронавты установили сейсмометр PSE (Passive Seismic Experiment), магнитометр LSM (Lunar Surface Magnetometer), спектрометр для изучения солнечного ветра SWS (Solar Wind Spectrometer), детектор лунной пыли LDD (Lunar Dust Detector) и супратермальный детектор лунной ионосферы SIDE (Suprathermal Ion Detector Experiment). Во время второй вылазки Конрад и Бин подобрались к аппарату «Сервейор-3» — ученых интересовало, как космос повлиял на оборудование и материалы. Поскольку скафандры затрудняли действия, астронавтам удалось снять только телекамеру, кусок кабеля, участок алюминиевой трубки и ковш-захват.

Однако главный сюрприз преподнес эксперимент с сейсмометром PSE. После старта с Луны и перехода в командно-служебный модуль «Аполлона-12» астронавты отделили взлетную кабину и направили ее вниз. Она упала на расстоянии 72 км от места посадки «Неустрашимого». Ученые ожидали, что сейсмические колебания, вызванные падением кабины, затихнут быстро, но реверберация (остаточное звучание после выключения источника звука) продолжалась 55 минут! На пресс-конференции селенологи сравнили феномен с «гулом церковного колокола», что тут же возродило разговоры о существовании полостей под лунной поверхностью11.

В апреле 1970 года состоялся полет корабля «Аполлон-13». Из-за аварии высадку пришлось отменить, а научная станция ALSEP № 2 была потеряна. Всё же свой вклад в селенологию экспедиция внесла: третья ступень ракеты «Сатурн-5» массой 13 т была направлена к Луне и 15 апреля врезалась в нее на территории кратера Лансберг (Lansberg) На этот раз реверберация длилась четыре часа, что исключило возможность ошибки измерения.

Модуль «Антарес» (Antares) космического корабля «Аполлон-14» с астронавтами Аланом Шепардом и Эдгаром Митчеллом прилунился 5 февраля 1971 года в 50 км к северу от кратера Фра Мауро (Fra Mauro). Приборный состав станции ALSEP № 3, развернутой новой экспедицией, в основном повторял станцию «Аполлона-12», но с дополнительным оборудованием: уголковым отражателем LRRR, детектором низкоэнергетических заряженных частиц CPLEE (Charged Particle Lunar Environment Experiment) и установкой для проведения активного сейсмического эксперимента ASE (Active Seismic Experiment). Селенологи предполагали найти там древние глубинные породы, выброшенные при столкновениях Луны с крупными космическими телами. Образцы действительно отличались от всего ранее исследованного: они легко крошились, содержали редкие минералы и были богаты полевым шпатом. Обнаруженные в их составе базальты имели почтенный возраст — от 4,0 до 4,3 млрд лет12.

Экспедиция «Аполлона-15» открыла новый этап: специалисты за счет модернизации увеличили грузоподъемность ракеты-носителя «Сатурн-5», что позволило доставить на Луну четырехколесный ровер LRV (Lunar Roving Vehicle), способный удаляться от места высадки на 9 км. Как и в ходе прошлых полетов, третья ступень ракеты была направлена в сторону Луны и врезалась в нее, породив многочасовую реверберацию.

30 июля 1971 года модуль «Сокол» (Falcon) с астронавтами Дэвидом Скоттом и Джеймсом Ирвином на борту совершил посадку в районе Хэдли-Апеннины (Hadley-Apennine). Там фронт горного массива Апеннины возвышается на 3,6 км над Морем Дождей, и селенологи рассчитывали найти материалы времен образования этого бассейна в результате столкновения с планетезималью.

Сначала астронавты испытали ровер, а после возвращения к «Соколу» развернули ALSEP № 4. По составу она походила на станцию «Аполлона-14», только оборудование активного сейсмического эксперимента ASE ученые заменили на прибор для измерения теплового потока из лунных недр HFE (Heat Flow Experiment). Кроме того, вместо стандартного отражателя LRRR был установлен увеличенный — из 300 кварцевых призм. Впоследствии за счет своего размера он стал наиболее востребованным (для сравнения: до 2000 года включительно с отражателем «Аполлона-11» был проведено 1384 эксперимента, «Аполлона-14» — 1380, «Аполлона-15» — 10923)13. С его помощью удалось не только установить, что Луна удаляется от нашей планеты со скоростью 38 мм в год, но и уточнить существующие модели приливного взаимодействия, определить величину дрейфа земных континентов и получить косвенные данные в пользу гипотезы существования лунного ядра.

Для измерения теплового потока в рамках эксперимента HFE астронавтам пришлось просверлить две скважины для зондов. В идеале они должны были дойти до глубины 3 м, однако через 2 м электробур уперся в скальное основание. Как выяснилось в процессе эксперимента, в лунных недрах нет условий для превращения тепла в энергию тектонических сдвигов. Селенологи пришли к выводу, что зарегистрированные сейсмометрами природные лунотрясения связаны либо с падением метеоритов, либо с приливным воздействием Земли, либо с возникновением термоупругих напряжений из-за перепадов температур.

Во время второй и третьей вылазок астронавты занимались осмотром окрестностей и сбором образцов. Среди прочего, они отобрали для лабораторных исследований образец № 15415 массой 269 г, который является фрагментом ранней лунной коры возрастом 4,15 млрд лет. Его назвали Камнем Творения (Genesis Rock)14.

Другим крупным достижением экспедиции «Аполлона-15» стала доставка керна длиной 2,7 м, состоящего из 55 слоев. Его анализ помог воссоздать древнюю историю Луны и Земли. Например, получила подтверждение гипотеза английского астронома Уильяма Маккри, который полагал, что наша планета периодически проходит через облако космической пыли, вызывающее глобальное похолодание. В керне наблюдаются три повторяющихся слоя пыли с интервалами в 100 млн лет, предсказанными Маккри15.

Установка на Луне трех станций с пассивными сейсмометрами дала ученым возможность определять методом триангуляции местоположение источников лунотрясений. Попутно была раскрыта тайна ревербераций — оказалось, что «гул церковного колокола» возникает в поверхностном слое толщиной 1–2 км, который состоит из рыхлого и сухого материала. Похожий эффект проявился бы в скоплении земного галечника при взрыве гранаты, но на Луне реверберация продолжается значительно дольше за счет меньшей силы тяготения16.

Несмотря на множество открытий, ученые всё же имели смутное представление о том, как формировалась Луна. К примеру, не доставало ясности в вопросе о том, была ли она горячей или холодной. Если она была достаточно горячей, то расплавилась бы целиком, поэтому более тяжелые материалы, в том числе железо, сосредоточились бы в центральной части. В таком случае железо находилось бы и по сей день в расплавленном состоянии и создавало бы сильное магнитное поле, чего не наблюдается. С другой стороны, если бы Луна оставалась холодной на протяжении всей своей истории, то тяжелые материалы не опустились бы в ее недра, и следовательно, на ней не может быть даже остаточного магнетизма.

Новая экспедиция должна была прояснить этот вопрос. 21 апреля модуль «Орион» (Orion) корабля «Аполлон-16» с Джоном Янгом и Чарлзом Дьюком прилунился на плоскогорье севернее кратера Декарт (Descartes). Астронавты развернули станцию ALSEP № 5; при этом Дьюк пробурил скважины: две глубиной по 2,5 м для термозондов эксперимента HFE и одну глубиной 2,7 м — для извлечения керна.

Феноменальный результат был получен при измерении магнитного поля. Для этого использовались два прибора: стационарный LSM (Lunar Surface Magnetometer) и переносной LPM (Lunar Portable Magnetometer), который астронавты возили с собой на ровере и разворачивали на специальной треноге в местах измерений. На маршруте длиной 7 км напряженность поля изменялась от 121 до 313 гамм. Причем в разных местах были обнаружены признаки существования магнитных полей противоположных полюсов: получается, что там, как и на Земле, остывание смежных участков коры происходило в разные геологические периоды. Таким образом, было доказано, что в древности на Луне существовало достаточно сильное магнитное поле17.

Модуль «Челленджер» (Challenger) корабля «Аполлон-17» совершил посадку 11 декабря 1972 года поблизости от гор Тавр (Montes Taurus) на юго-восточном краю Моря Ясности. Прежде всего астронавты Юджин Сернан и Харрисон Шмитт развернули модернизированную станцию ALSEP № 6. Но куда большее внимание привлек сбор образцов, ведь Шмитт был первым профессиональным геологом на Луне. И ему повезло. Например, астронавты мимоходом откололи кусок от невзрачного на вид валуна, а в лаборатории выяснилось, что «случайный» образец (№ 72417) состоит из чистого оливина (дунита) возрастом 4,5 млрд лет. Еще большее волнение специалистов вызвал участок оранжевого грунта, который Шмитт заметил у кратера Шорти (Shorty). Необычный цвет мог указывать на наличие воды под поверхностью или на недавнюю вулканическую активность. Увы, исследования оранжевого грунта показали, что он состоит из шариков цветного стекла невулканического происхождения, — вероятно, он образовался в результате падения скоростного метеорита или прорыва так называемого «огненного фонтана»18.

В 1975 году астронавт Харрисон Шмитт, подводя промежуточный итог научной программе «Аполлонов», заявил, что непосредственные исследования помогли ответить на принципиальные вопросы эволюции Луны19. Твердо установлено, что она образовалась 4,6 млрд лет назад — в то же самое время, что и вся Солнечная система. Затем тепловая энергия гравитационного сжатия расплавила ее внешнюю оболочку. Постепенно остывая, оболочка расслоилась на кору, богатую алюминием и кальцием, и верхнюю мантию, в которой преобладают минералы с высоким содержанием железа и магния. В период с 4,4 по 4,1 млрд лет назад Луна находилась под непрерывной метеоритной бомбардировкой, в результате чего поверхность покрылась рыхлым «одеялом» толщиной в сотни метров. Около 4 млрд лет назад на Луну одна за другой упали планетезимали, в результате чего образовались круглые «моря» протяженностью в сотни километров. Тогда же завершилось вертикальное расслоение оболочки и сформировалось раскаленное железо-сульфидное ядро радиусом 400 км, генерирующее магнитное поле. Около 3,9 млрд лет назад из переплавленных осколков коры сложились светлые равнины. Еще через 100 млн лет, когда лава заполняла свободные впадины, появились базальтовые «моря». 3 млрд лет назад движение базальтовых потоков прекратилось, а вулканические извержения затихли. С тех пор Луна менялась лишь под ударами редких метеоритов.

Реконструкция Шмитта опровергла ранние гипотезы, но некоторые детали требовали уточнения. Станции ALSEP продолжали работать, поставляя информацию до 30 сентября 1977 года, после чего были переведены в режим ожидания. Анализ данных, переданных ими, заставил ученых усомниться в том, что они имеют правильные представления о строении Луны. Оказалось, что ее кора слоиста, а мантия состоит из блоков планетарного масштаба, разделенных зонами сверхглубоких разломов20.

В ходе дискуссий родилась новая теория — рождения Луны в результате столкновения (мегаимпакта) Протоземли с массивным планетоидом. Оно случилось спустя 100 млн лет после начала формирования Солнечной системы. В результате произошло слияние двух тел, а часть их мантийного материала была выброшена на орбиту, образовав рой, из которого позднее и сформировался массивный околоземный спутник21.

Теория мегаимпакта популярна, хотя у нее есть противники. Без сомнения, точку в затянувшихся спорах поставят новые экспедиции, но для этого землянам нужно будет вернуться на Луну.

Источник: elementy.ru

Антон Первушин
Антон Первушин

20 июля 1969 года на лунную поверхность впервые ступили двое землян — астронавты Нил Армстронг и Эдвин Олдрин из экипажа космического корабля «Аполлон-11». За ними последовали еще шесть экспедиций к Луне, пять из которых тоже прошли успешно. Триумф величайшего технического достижения и мощнейший геополитический резонанс затмили научное значение программы «Аполлон», и сегодня мало кто способен вспомнить, какие новые знания дало нам непосредственное изучение Луны.

Карта Луны с указанием мест высадок шести экспедиций программы «Аполлон» (NASA, S72-32719)
Карта Луны с указанием мест высадок шести экспедиций программы «Аполлон» (NASA, S72-32719)

На заре космической эры селенологи благодаря астрономическим наблюдениям могли уверенно утверждать: на Луне нет атмосферы, водных ресурсов и каких-либо развитых форм жизни. Вероятно, она внутренне однородна и тектонически мертва. Однако не было ясности, можно ли распространить результаты наблюдений на обратную сторону Луны, ведь среди прочего обсуждалась гипотеза существования там глубочайших впадин, где вполне могли сохраниться «остатки древней атмосферы» и условия для появления жизни. Вопрос был прояснен в октябре 1959 года, когда советская станция «Луна-3» передала изображения обратной стороны: хотя рельеф поверхности там отличается (больше горных районов, меньше заметных кратеров и «морей»), каких-то аномалий, указывающих на места возможного обитания инопланетян, не обнаружили.

В то же самое время было поставлено под сомнение утверждение об отсутствии тектонической активности на Луне. Астрофизик Николай Козырев, проводивший наблюдения с помощью спектрографа Харьковской обсерватории, 3 ноября 1958 года зафиксировал мощное вулканическое извержение в лунном кратере Альфонс, что добавило аргументов сторонникам теории эндогенной природы лунного рельефа1.

Еще более неожиданное открытие было сделано с помощью американского космического аппарата «Лунар орбитер — 5», запущенного 1 августа 1967 года и выведенного на околополярную селеноцентрическую орбиту. Во время его движения над круглыми «морями» были замечены регулярные «всплески» в величинах ускорений аппарата, связанные с усилением гравитационного поля. Самая значительная аномалия была выявлена над Морем Дождей. Ученые предположили, что там имеются избыточные массы, которые получили название масконы (от mass concentrations). Вначале селенологи были озадачены аномалиями, однако вскоре появилась гипотеза, что под круглыми «морями» находятся остатки гигантских железо-никелевых метео­ритов или больших планетезималей, состоявших из пыли протопланетного диска2.

Впрочем, наиболее популярной темой для дискуссий оставалась существенная разница в средней плотности Луны и Земли (3,3 г/см3 против 5,5 г/см3), вычисленная в XIX веке. Если оба тела сложены из похожих пород, то чем объяснить разницу? Может быть, внутри Луны имеются обширные полости? Но как они сформировались? В попытках ответить на эти вопросы были сформулированы три тео­рии происхождения Луны3.

Теория отрыва утверждала, что юная Протоземля очень быстро вращалась, совершая полный оборот за четыре часа. Из-за резонанса, вызванного совпадением частоты собственных колебаний нашей планеты с частотой солнечных приливов, высота последних росла до тех пор, пока один из приливных горбов не оторвался, превратившись затем в естественный спутник. Поскольку на орбите оказался только верхний фрагмент Протоземли, то Луна лишена металлического ядра, а ее средняя плотность соответствует земной мантии. Местом отрыва Луны, вероятно, является бассейн Тихого океана. Предложенная теория на некоторое время стала общепризнанной. Однако позднее расчетами было показано, что даже столь быстрого вращения недостаточно для отрыва от Протоземли сколько-нибудь значимой массы. Кроме того, теория не объясняла, откуда у формирующейся планеты возник высокий момент импульса и куда он потом делся.

На смену прежней пришла теория захвата. Согласно ей, Луна сформировалась отдельно от нашей планеты где-то в Солнечной системе (например, в главном поясе астероидов), а затем была притянута гравитацией в момент взаимного сближения. В изначальном варианте теория не объясняла, как произошло рассеивание кинетической энергии при захвате, и сторонникам приходилось вводить новые допущения: Протолуна вращалась в другую сторону, ее орбита имела высокий эксцентриситет и т. п. Нобелевский лауреат Гарольд Юри предположил, что существовало несколько протолун на близком расстоянии от Протоземли; в какой-то момент они столкнулись, потеряв кинетическую энергию и образовав единое тело. Сторонники теории понимали, что такое событие уникально, поэтому маловероятно. Требовалось материальное подтверждение в виде лунного грунта: если бы его анализ показал, что Луна моложе Земли, а в составе преобладают вещества, характерные для пояса астероидов, то теорию можно было бы объявить реалистичной.

Параллельно развивалась теория «двойной планеты», гласящая, что Земля и ее спутник сформировались путем аккреции из протопланетного облака на общей селеноцентрической орбите поблизости друг от друга. Главная проблема теории заключалась в том, что без введения множества допущений она не объясняла, почему именно наша планета стала «двойной», а близкие по размеру Венера и Марс — нет, и почему Луна имеет аномально низкую плотность.

Среди селенологов не было единства и по другим вопросам — возраста Луны и деталей ее поверхности, эндогенного или экзогенного происхождения ее рельефа, состава и структуры ее недр и т. п. Космические аппараты серий «Луна» и «Сервейор» (Surveyor), сумевшие прилуниться, развеяли лишь сомнения в том, что там можно совершить нормальную посадку, но не давали надежных свидетельств в пользу какой-либо из перечисленных теорий. С определенного момента стало ясно, что без экспедиции с участием астронавтов невозможно разрешить ни один из многолетних споров.

В течение четырех лет состоялось девять пилотируемых полетов к Луне: «Аполлон-8» (21.12.1968–27.12.1968), «Аполлон-10» (18.05.1969–26.05.1969), «Аполлон-11» (16.07.1969–24.07.1969), «Аполлон-12» (14.11.1969–24.11.1969), «Аполлон-13» (11.04.1970–17.04.1970), «Аполлон-14» (31.01.1971–09.02.1971), «Аполлон-15» (26.07.1971–07.08.1971), «Аполлон-16» (16.04.1972–27.04.1972) и «Аполлон-17» (07.12.1972–19.12.1972). Первые два полета были испытательными и прошли без высадки на лунную поверхность. Экспедиция «Аполлона-13» не смогла реализовать программу миссии из-за аварии на борту корабля. В итоге на Луне побывали только двенадцать астронавтов, которые опускались туда внутри лунных модулей (Lunar Module, LM), оставляя командно-служебный модуль (Command and Service Module, CSM) корабля с одним членом экипажа на селеноцентрической орбите. После выполнения программы экспедиции астронавты стартовали во взлетной кабине, стыковались с командно-служебным модулем, а кабину сбрасывали, направляя ее в сторону Луны. С каждым новым полетом время работы на поверхности увеличивалось (для сравнения: командир «Аполлона-11» Нил Армстронг работал вне модуля 2 часа 21 минуту, а командир «Аполлона-17» Юджин Сернан оставался снаружи в общей сложности 22 часа 2 минуты)4.

Первые значимые открытия были сделаны еще при осуществлении экспедиции «Аполлона-11». 20 июля 1969 года астронавты Нил Армстронг и Эдвин Олдрин совершили посадку в модуле «Орёл» (Eagle) на площадку в юго-западной части Моря Спокойствия. Осмотр места прилунения подтвердил сведения, полученные беспилотными аппаратами: поверхность однозначно твердая и покрыта пластом рыхлой обломочной породы, названной реголитом и образовавшейся в результате эрозионных экзогенных процессов (под метеоритной бомбардировкой в условиях вакуума, жесткого солнечного облучения и значительных перепадов температур). Грунт усыпан довольно крупными обломками, которые, вероятно, выброшены из кратеров. Внутри кратеров Армстронг разглядел россыпи стеклянных «капель», которые озадачили селенологов. Позднее при лабораторном анализе в лунных образцах было обнаружено множество подобных «капель» — скорее всего, они образуются при испарении и осаждении лунного вещества при ударе метеорита5.

Во время вылазки астронавты использовали стереокамеру, которая устанавливалась вертикально и позволяла заснять «девственную» поверхность с очень близкого расстояния. На некоторых снимках запечатлена необычная деталь: пятна тонкого слоя «глазури» на частицах грунта. Астрофизик Томас Голд предположил, что сравнительно недавно (не позднее 100 тыс. лет назад) Луна подверглась внезапному нагреву в результате мощнейшей солнечной вспышки, при которой на полторы минуты радиация возросла на два порядка6.

Хотя работа вне «Орла» была кратковременной, астронавты успели собрать образцы пород и установить комплект научных приборов EASEP (Early Apollo Surface Experiments Package), включавший уголковый отражатель LRRR (Laser Ranging Retroreflector), сейсмическую станцию PSEP (Passive Seismic Experiment Package) и ловушку солнечного ветра SWC (Solar Wind Composition).

Уголковый лазерный отражатель LRRR экспедиции «Аполлон-11»; справа от него — стереокамера для детального изучения структуры лунного грунта (NASA, AS11-40-5952)
Уголковый лазерный отражатель LRRR экспедиции «Аполлон-11»; справа от него — стереокамера для детального изучения структуры лунного грунта (NASA, AS11-40-5952)

Отражатель LRRR представлял собой панель из ста небольших кварцевых уголковых призм размером 3,8 см; он создавался для уточнения селенографических и геодинамических данных. 1 августа 1969 года Ликская астрономическая обсерватория в Калифорнии отыскала его лазерным лучом и получила уверенный ответный сигнал.

Станция PSEP, питаемая солнечными батареями, состояла из четырех сейсмометров. Ее чувствительность была такова, что после включения PSEP «заметила» шаги астронавтов. К сожалению, станция проработала всего три недели, но успела зафиксировать несколько лунотрясений.

Ловушка SWC выглядела как лист сверхчистой алюминиевой фольги размером 30х140 см, закрепленный на вертикальном телескопическом штыре. Смысл эксперимента состоял в том, чтобы исследовать молекулярную структуру солнечного «ветра» через определение изотопного состава гелия, неона и аргона. В лаборатории лист, доставленный с Луны, поместили в вакуумную камеру, где нагрели до частичного расплавления, — содержание выделившихся газов изучалось с помощью масс-спектрометра7.

Наибольший интерес селенологов вызвали образцы лунного грунта. Хотя они были собраны впопыхах, первичный анализ позволил сделать вывод: поверхностные породы Моря Спокойствия схожи с земными базальтами, а их возраст составляет не менее 3,3 млрд лет. Вместе с данными сейсмометра эти сведения поставили под сомнение теорию захвата Луны и свидетельствовали в пользу теории «двойной планеты». Получалось, что Луна не могла сформироваться где-то вдали от современной орбиты и остается тектонически активной8.

При этом ученые не обнаружили каких-либо следов воздействия воды и водосодержащих минералов. Не подтвердилась и гипотеза о наличии микроорганики на Луне. Чтобы не допустить взаимного биологического «заражения», специалисты стерилизовали космические аппараты, а экипажи после возвращения проходили строгий карантин. Меры предосторожности оказались лишними: исследование грунта на наличие органики показало, что ее содержание в среднем не превышает десяти частей на миллион, а такое количество объясняется загрязнением образцов внутри космического корабля9.

Одной из важнейших задач полета «Аполлона-12» было прилунение поблизости от космического аппарата «Сервейор-3», который с апреля 1967 года находился на территории Океана Бурь (Oceanus Procellarum). Посадка модуля «Неустрашимый» (Intrepid) состоялась 19 ноября 1969 года. Выполняя работы на поверхности, астронавты Чарлз Конрад и Алан Бин заметили, что ноги при ходьбе глубоко погружаются в грунт, а пробоотборник удалось ввести на полную длину — около 70 см (для сравнения: у экипажа «Аполлона-11» не получилось взять пробы глубже 15 см). Кроме того, образцы, доставленные на Землю, оказались намного моложе — средний возраст кристаллических пород составил 2,3 млрд лет10.

Астронавт Чарлз Конрад осматривает исследовательский космический аппарат «Серевейор-3» (NASA, AS12-48-7134)
Астронавт Чарлз Конрад осматривает исследовательский космический аппарат «Серевейор-3» (NASA, AS12-48-7134)

В ходе первой вылазки астронавты развернули ловушку солнечного ветра SWC (Solar Wind Composition) и полноценную научную станцию ALSEP № 1 (Apollo Lunar Surface Experiments Package). Центральный блок станции включал коммуникационное оборудование, кабели и радиоизотопный генератор SNAP-27 с плутониевым элементом. Рядом астронавты установили сейсмометр PSE (Passive Seismic Experiment), магнитометр LSM (Lunar Surface Magnetometer), спектрометр для изучения солнечного ветра SWS (Solar Wind Spectrometer), детектор лунной пыли LDD (Lunar Dust Detector) и супратермальный детектор лунной ионосферы SIDE (Suprathermal Ion Detector Experiment). Во время второй вылазки Конрад и Бин подобрались к аппарату «Сервейор-3» — ученых интересовало, как космос повлиял на оборудование и материалы. Поскольку скафандры затрудняли действия, астронавтам удалось снять только телекамеру, кусок кабеля, участок алюминиевой трубки и ковш-захват.

Научная станция ALSEP № 1, доставленная и развернутая на поверхности Луны экипажем «Аполлона-12 (NASA, AS12-47-6918)
Научная станция ALSEP № 1, доставленная и развернутая на поверхности Луны экипажем «Аполлона-12 (NASA, AS12-47-6918)

Однако главный сюрприз преподнес эксперимент с сейсмометром PSE. После старта с Луны и перехода в командно-служебный модуль «Аполлона-12» астронавты отделили взлетную кабину и направили ее вниз. Она упала на расстоянии 72 км от места посадки «Неустрашимого». Ученые ожидали, что сейсмические колебания, вызванные падением кабины, затихнут быстро, но реверберация (остаточное звучание после выключения источника звука) продолжалась 55 минут! На пресс-конференции селенологи сравнили феномен с «гулом церковного колокола», что тут же возродило разговоры о существовании полостей под лунной поверхностью11.

В апреле 1970 года состоялся полет корабля «Аполлон-13». Из-за аварии высадку пришлось отменить, а научная станция ALSEP № 2 была потеряна. Всё же свой вклад в селенологию экспедиция внесла: третья ступень ракеты «Сатурн-5» массой 13 т была направлена к Луне и 15 апреля врезалась в нее на территории кратера Лансберг (Lansberg) На этот раз реверберация длилась четыре часа, что исключило возможность ошибки измерения.

Астронавт Алан Шепард на поверхности Луны 6 февраля 1971 года (NASA, AS14-68-9405)
Астронавт Алан Шепард на поверхности Луны 6 февраля 1971 года (NASA, AS14-68-9405)

Модуль «Антарес» (Antares) космического корабля «Аполлон-14» с астронавтами Аланом Шепардом и Эдгаром Митчеллом прилунился 5 февраля 1971 года в 50 км к северу от кратера Фра Мáуро (Fra Mauro). Приборный состав станции ALSEP № 3, развернутой новой экспедицией, в основном повторял станцию «Аполлона-12», но с дополнительным оборудованием: уголковым отражателем LRRR, детектором низкоэнергетических заряженных частиц CPLEE (Charged Particle Lunar Environment Experiment) и установкой для проведения активного сейсмического эксперимента ASE (Active Seismic Experiment). Селенологи предполагали найти там древние глубинные породы, выброшенные при столкновениях Луны с крупными космическими телами. Образцы действительно отличались от всего ранее исследованного: они легко крошились, содержали редкие минералы и были богаты полевым шпатом. Обнаруженные в их составе базальты имели почтенный возраст — от 4,0 до 4,3 млрд лет12.

Научная станция ALSEP № 3, доставленная и развернутая на поверхности Луны экипажем «Аполлона-14» (NASA, AS14-67-9376)
Научная станция ALSEP № 3, доставленная и развернутая на поверхности Луны экипажем «Аполлона-14» (NASA, AS14-67-9376)

Экспедиция «Аполлона-15» открыла новый этап: специалисты за счет модернизации увеличили грузоподъемность ракеты-носителя «Сатурн-5», что позволило доставить на Луну четырехколесный ровер LRV (Lunar Roving Vehicle), способный удаляться от места высадки на 9 км. Как и в ходе прошлых полетов, третья ступень ракеты была направлена в сторону Луны и врезалась в нее, породив многочасовую реверберацию.

30 июля 1971 года модуль «Сокол» (Falcon) с астронавтами Дэвидом Скоттом и Джеймсом Ирвином на борту совершил посадку в районе Хэдли-Апеннины (Hadley-Apennine). Там фронт горного массива Апеннины возвышается на 3,6 км над Морем Дождей, и селенологи рассчитывали найти материалы времен образования этого бассейна в результате столкновения с планетезималью.

Астронавт Джеймс Ирвин рядом с лунным ровером LRV-1 31 июля 1971 года (NASA, AS15-86-11603)
Астронавт Джеймс Ирвин рядом с лунным ровером LRV-1 31 июля 1971 года (NASA, AS15-86-11603)

Сначала астронавты испытали ровер, а после возвращения к «Соколу» развернули ALSEP № 4. По составу она походила на станцию «Аполлона-14», только оборудование активного сейсмического эксперимента ASE ученые заменили на прибор для измерения теплового потока из лунных недр HFE (Heat Flow Experiment). Кроме того, вместо стандартного отражателя LRRR был установлен увеличенный — из 300 кварцевых призм. Впоследствии за счет своего размера он стал наиболее востребованным (для сравнения: до 2000 года включительно с отражателем «Аполлона-11» был проведено 1384 эксперимента, «Аполлона-14» — 1380, «Аполлона-15» — 10 923)13. С его помощью удалось не только установить, что Луна удаляется от нашей планеты со скоростью 38 мм в год, но и уточнить существующие модели приливного взаимодействия, определить величину дрейфа земных континентов и получить косвенные данные в пользу гипотезы существования лунного ядра.

Для измерения теплового потока в рамках эксперимента HFE астронавтам пришлось просверлить две скважины для зондов. В идеале они должны были дойти до глубины 3 м, однако через 2 м электробур уперся в скальное основание. Как выяснилось в процессе эксперимента, в лунных недрах нет условий для превращения тепла в энергию тектонических сдвигов. Селенологи пришли к выводу, что зарегистрированные сейсмометрами природные лунотрясения связаны либо с падением метеоритов, либо с приливным воздействием Земли, либо с возникновением термоупругих напряжений из-за перепадов температур.

Во время второй и третьей вылазок астронавты занимались осмотром окрестностей и сбором образцов. Среди прочего, они отобрали для лабораторных исследований образец № 15415 массой 269 г, который является фрагментом ранней лунной коры возрастом 4,15 млрд лет. Его назвали Камнем Творения (Genesis Rock)14.

Камень Творения (образец № 15415), доставленный на Землю экспедицией «Аполлона-15» (NASA, S71-42951)
Камень Творения (образец № 15415), доставленный на Землю экспедицией «Аполлона-15» (NASA, S71-42951)

Другим крупным достижением экспедиции «Аполлона-15» стала доставка керна длиной 2,7 м, состоящего из 55 слоев. Его анализ помог воссоздать древнюю историю Луны и Земли. Например, получила подтверждение гипотеза английского астронома Уильяма Маккри, который полагал, что наша планета периодически проходит через облако космической пыли, вызывающее глобальное похолодание. В керне наблюдаются три повторяющихся слоя пыли с интервалами в 100 млн лет, предсказанными Маккри15.

Установка на Луне трех станций с пассивными сейсмометрами дала ученым возможность определять методом триангуляции местоположение источников лунотрясений. Попутно была раскрыта тайна ревербераций — оказалось, что «гул церковного колокола» возникает в поверхностном слое толщиной 1–2 км, который состоит из рыхлого и сухого материала. Похожий эффект проявился бы в скоплении земного галечника при взрыве гранаты, но на Луне реверберация продолжается значительно дольше за счет меньшей силы тяготения16.

Несмотря на множество открытий, ученые всё же имели смутное представление о том, как формировалась Луна. К примеру, не доставало ясности в вопросе о том, была ли она горячей или холодной. Если она была достаточно горячей, то расплавилась бы целиком, поэтому более тяжелые материалы, в том числе железо, сосредоточились бы в центральной части. В таком случае железо находилось бы и по сей день в расплавленном состоянии и создавало бы сильное магнитное поле, чего не наблюдается. С другой стороны, если бы Луна оставалась холодной на протяжении всей своей истории, то тяжелые материалы не опустились бы в ее недра, и следовательно, на ней не может быть даже остаточного магнетизма.

Новая экспедиция должна была прояснить этот вопрос. 21 апреля модуль «Орион» (Orion) корабля «Аполлон-16» с Джоном Янгом и Чарлзом Дьюком прилунился на плоскогорье севернее кратера Декарт (Descartes). Астронавты развернули станцию ALSEP № 5; при этом Дьюк пробурил скважины: две глубиной по 2,5 м для термозондов эксперимента HFE и одну глубиной 2,7 м — для извлечения керна.

Научная станция ALSEP № 5, доставленная и развернутая на поверхности Луны экипажем «Аполлона-16» (NASA, AS16-113-18347)
Научная станция ALSEP № 5, доставленная и развернутая на поверхности Луны экипажем «Аполлона-16» (NASA, AS16-113-18347)
Астронавт Джон Янг рядом с приборами станции ALSEP № 5 на лунной поверхности 21 апреля 1972 года (NASA, AS16-114-18388)
Астронавт Джон Янг рядом с приборами станции ALSEP № 5 на лунной поверхности 21 апреля 1972 года (NASA, AS16-114-18388)

Феноменальный результат был получен при измерении магнитного поля. Для этого использовались два прибора: стационарный LSM (Lunar Surface Magnetometer) и переносной LPM (Lunar Portable Magnetometer), который астронавты возили с собой на ровере и разворачивали на специальной треноге в местах измерений. На маршруте длиной 7 км напряженность поля изменялась от 121 до 313 гамм. Причем в разных местах были обнаружены признаки существования магнитных полей противоположных полюсов: получается, что там, как и на Земле, остывание смежных участков коры происходило в разные геологические периоды. Таким образом, было доказано, что в древности на Луне существовало достаточно сильное магнитное поле17.

Модуль «Челленджер» (Challenger) корабля «Аполлон-17» совершил посадку 11 декабря 1972 года поблизости от гор Тавр (Montes Taurus) на юго-восточном краю Моря Ясности. Прежде всего астронавты Юджин Сернан и Харрисон Шмитт развернули модернизированную станцию ALSEP № 6. Но куда большее внимание привлек сбор образцов, ведь Шмитт был первым профессиональным геологом на Луне. И ему повезло. Например, астронавты мимоходом откололи кусок от невзрачного на вид валуна, а в лаборатории выяснилось, что «случайный» образец (№ 72417) состоит из чистого оливина (дунита) возрастом 4,5 млрд лет. Еще большее волнение специалистов вызвал участок оранжевого грунта, который Шмитт заметил у кратера Шорти (Shorty). Необычный цвет мог указывать на наличие воды под поверхностью или на недавнюю вулканическую активность. Увы, исследования оранжевого грунта показали, что он состоит из шариков цветного стекла невулканического происхождения, — вероятно, он образовался в результате падения скоростного метеорита или прорыва так называемого «огненного фонтана»18.

Научная станция ALSEP № 6, доставленная и развернутая на поверхности Луны экипажем «Аполлона-17» (NASA, AS17-134-20500)
Научная станция ALSEP № 6, доставленная и развернутая на поверхности Луны экипажем «Аполлона-17» (NASA, AS17-134-20500)
Астронавт-геолог Харрисон Шмитт на лунной поверхности 13 декабря 1972 года (NASA, AS17-134-20382)
Астронавт-геолог Харрисон Шмитт на лунной поверхности 13 декабря 1972 года (NASA, AS17-134-20382)
Самый древний лунный камень возрастом 4,5 млрд лет, фрагмент которого доставлен на Землю экспедицией «Аполлона-17» (NASA, AS17-137-20963)
Самый древний лунный камень возрастом 4,5 млрд лет, фрагмент которого доставлен на Землю экспедицией «Аполлона-17» (NASA, AS17-137-20963)
Участок с оранжевым грунтом, обнаруженный астронавтами «Аполлона-17» во время вылазки 12 декабря 1972 года (NASA, AS17-137-20990)
Участок с оранжевым грунтом, обнаруженный астронавтами «Аполлона-17» во время вылазки 12 декабря 1972 года (NASA, AS17-137-20990)

В 1975 году астронавт Харрисон Шмитт, подводя промежуточный итог научной программе «Аполлонов», заявил, что непосредственные исследования помогли ответить на принципиальные вопросы эволюции Луны19. Твердо установлено, что она образовалась 4,6 млрд лет назад — в то же самое время, что и вся Солнечная система. Затем тепловая энергия гравитационного сжатия расплавила ее внешнюю оболочку. Постепенно остывая, оболочка расслоилась на кору, богатую алюминием и кальцием, и верхнюю мантию, в которой преобладают минералы с высоким содержанием железа и магния. В период с 4,4 по 4,1 млрд лет назад Луна находилась под непрерывной метеоритной бомбардировкой, в результате чего поверхность покрылась рыхлым «одеялом» толщиной в сотни метров. Около 4 млрд лет назад на Луну одна за другой упали планетезимали, в результате чего образовались круглые «моря» протяженностью в сотни километров. Тогда же завершилось вертикальное расслоение оболочки и сформировалось раскаленное железо-сульфидное ядро радиусом 400 км, генерирующее магнитное поле. Около 3,9 млрд лет назад из переплавленных осколков коры сложились светлые равнины. Еще через 100 млн лет, когда лава заполняла свободные впадины, появились базальтовые «моря». 3 млрд лет назад движение базальтовых потоков прекратилось, а вулканические извержения затихли. С тех пор Луна менялась лишь под ударами редких метеоритов.

Реконструкция Шмитта опровергла ранние гипотезы, но некоторые детали требовали уточнения. Станции ALSEP продолжали работать, поставляя информацию до 30 сентября 1977 года, после чего были переведены в режим ожидания. Анализ данных, переданных ими, заставил ученых усомниться в том, что они имеют правильные представления о строении Луны. Оказалось, что ее кора слоиста, а мантия состоит из блоков планетарного масштаба, разделенных зонами сверхглубоких разломов20.

В ходе дискуссий родилась новая теория — рождения Луны в результате столкновения (мегаимпакта) Протоземли с массивным планетоидом. Оно случилось спустя 100 млн лет после начала формирования Солнечной системы. В результате произошло слияние двух тел, а часть их мантийного материала была выброшена на орбиту, образовав рой, из которого позднее и сформировался массивный околоземный спутник21.

Теория мегаимпакта популярна, хотя у нее есть противники. Без сомнения, точку в затянувшихся спорах поставят новые экспедиции, но для этого землянам нужно будет вернуться на Луну.

Антон Первушин


1 Козырев Н. Вулканическая деятельность на Луне // Природа. — 1959. — № 3.

2 Марков М., Суханов А. Масконы впадин лунных морей // Природа. — 1970. — № 3.

3 Болдуин Р. Что мы знаем о Луне? / пер. с англ. К. Любарского. — М.: Мир, 1967.

4 Шунейко И. Пилотируемые полеты на Луну, конструкция и характеристики Saturn V Apollo. Ракетостроение (Итоги науки и техники). Том 3. — М.: Государственный комитет Совета министров СССР по науке и технике, 1973.

5 Предварительное изучение лунных образцов, доставленных «Аполлоном-11» / пер. с англ. Г. Рошкована // Природа. — 1969. — № 12.

6 Куликов К., Гуревич В. Новый облик старой Луны. — М.: Наука, 1974.

7 Lindsay H. ALSEP. Apollo Lunar Surface Experiments Package. Электронная версия:
www.hq.nasa.gov/alsj/HamishALSEP.html

8 Загадок, связанных с Луной, не уменьшилось // Земля и Вселенная. — 1970. — № 3.

9 Поннамперума С. Поиски жизни на Луне / пер. с англ. Э. Светайло // Природа. — 1970. — № 8.

10 Предварительное исследование лунных образцов, доставленных «Аполлоном-12» // Природа. — 1970. — № 10.

11 Кропоткин П. «Гудящие полости» на Луне // Знание — сила. — 1970. — № 9.

12 Гольдовский Д. Предварительные научные результаты полета «Аполлона-14» // Земля и Вселенная. — 1971. — № 6.

13 Алёшкина Е. Лазерная локация Луны // Природа. — 2002. — № 9.

14 Гольдовский Д. «Аполлон-15» исследует Луну // Земля и Вселенная. — 1972. — № 4.

15 Лунная пыль и земное оледенение // Земля и Вселенная. — 1976. — № 5.

16 Холмс Д. О чем рассказывает человеку Луна / пер. с англ. // Америка. — 1972. — № 11.

17 Ерошенко Е. Магнетизм Луны // Земля и Вселенная. — 1975. — № 10.

18 Шевченко В. Оранжевый грунт // Земля и Вселенная. — 1973. — № 12.

19 Реконструкция эволюции Луны // Природа. — 1976. — № 2.

20 Галкин И. Неоднородная структура недр Луны // Природа. — 1977. — № 12.

21 О происхождении Луны // Природа. — 1977. — № 3.

Источник: trv-science.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.