Спутник Земли: краткая история исследований Луны
Обсудить 1
Зачатки научного понимания природы Луны сформировались задолго до изобретения телескопа. Еще древнегреческие мыслители видели в ней шарообразное тело, обращающееся вокруг Земли и светящее отраженным солнечным светом. В III веке до нашей эры великий астроном Аристарх Самосский вычислил, что расстояние между Луной и Землей составляет 60 земных радиусов (результат Аристарха оказался удивительно точным — на самом деле оно колеблется между 55 и 63 радиусами). В темных областях лунного диска греки видели водоемы, а в светлых — сушу. Оттуда и пошла традиция называть морями лунные зоны, обладающие наименьшей отражательной способностью.
Имена земные и лунные Слева — карта Иоганна Гевелиуса (1647), который называл детали лунной поверхности в соответствии с земными географическими названиями. Справа — более привычная нам карта Джованни Риччиоли (1651).
Галилео Галилей, первым направивший в небеса зрительную трубу, составил и первый отчет о телескопических наблюдениях Луны, который представил в опубликованной в 1610 году книге Siderius Nuncius. 32-кратное увеличение его инструмента позволило установить, что поверхность нашего спутника покрыта горами и испещрена углублениями. Галилей воздержался от их наименования, однако в середине XVII века это начали делать другие астрономы. Именно в те времена возникла традиция называть лунные кратеры в честь знаменитых ученых, оставляя за морями право на возвышенно-поэтические титулы. Ее заложили астрономы Джованни Баттиста Риччиоли и Франческо Гримальди, чья лунная карта была опубликована в 1651 году. Именно тогда появились кратеры Тихо, Гиппарха, Коперника и Архимеда, море Дождей и море Спокойствия.
По мере прогресса телескопостроения совершенствовалась и лунная картография. Наивысшим достижением на этом пути стала публикация «Фотографического лунного атласа», который в 1960-х годах подготовили специалисты Аризонского университета и американских ВВС.
Серебристый лик
В XIX веке на помощь науке о Луне пришла физика. Около двухсот лет назад Франсуа Араго заметил, что лунному свету присуща слабая линейная поляризация, которую он приписал влиянию лунной атмосферы. Сейчас мы знаем, что воздуха там нет совсем, так что это объяснение в корне неверно. Львиная доля лунной поверхности покрыта мелко измельченными породами, разбитыми бесчисленными ударами небольших метеоритов. Этот толстый слой, называемый реголитом, поляризует отраженный солнечный свет.
Наличие реголита объясняет еще одну уникальную особенность лунного блеска. Фотометрические измерения показывают, что яркость полной Луны превышает яркость половинной вовсе не вдвое, а в одиннадцать раз! Отсюда следует, что отражательная способность лунного вещества резко возрастает, если угол падения солнечных лучей приближается к вертикали. Причина этого эффекта заключается в том, что частицы реголита испещрены множеством трещин, в которых теряется значительная часть падающего света. Это поглощение минимально, если наблюдатель смотрит со стороны, откуда падает луч, что как раз и происходит в полнолуние. При радиолокационном сканировании Луны этот эффект отсутствует, поскольку длина волны радарного луча много больше величины трещин.
Странный спутник Земля с ее спутником в Солнечной системе смотрится весьма экзотично. Непонятно, например, почему Луна всего в 81 раз легче Земли. Титан, самый большой из спутников Сатурна, по массе уступает планете-хозяйке почти в 5 тысяч раз, прочие же подобные показатели еще меньше. К тому же момент импульса системы Земля-Луна превосходит момент импульса любой другой пары «планета-спутник». И, наконец, путь Луны не лежит ни в плоскости эклиптики, ни в экваториальной плоскости Земли, в то время как лунная ось почти перпендикулярна плоскости эклиптики. Все это выглядит довольно странно. Необычна и лунная орбита. Это не эллипс, как следует из законов Кеплера, а медленно раскручивающаяся спираль. В начале 19 века это предсказал великий французский математик Пьер Симон Лаплас. Рассуждал он просто. Лунные приливы тормозят вращение Земли, однако полный угловой момент всей пары сохраняется. Следовательно, Луна должна увеличивать свой момент, непрерывно уходя на более высокие орбиты. Механика этого процесса давно объяснена. Приливные волны изменяют распределение масс на земном шаре, в результате чего у земного притяжения Луны возникает компонента, направленная по касательной к лунной траектории. Вследствие того же приливного трения вращение Луны синхронизировано с ее обращением вокруг Земли и лунный день приблизительно равен земному месяцу (поэтому Луна всегда обращена к Земле одним полушарием). Эта синхронизация, скорее всего, произошла во времена, когда Луна полностью или частично находилась в расплавленном состоянии. Скорость радиального смещения Луны была измерена с помощью лазерной локации, она составляет примерно 4 сантиметра в год. Отсюда следует, что в далеком прошлом Луна располагалась намного ближе к Земле. Любая реалистичная теория происхождения Луны должна объяснить и это обстоятельство.
Раз уж об этом зашла речь, следует упомянуть еще одно любопытное явление. Реголит поглощает больше 90% солнечного света, так что в действительности он черный, как уголь. Однако он сильно рассеивает все, что не удалось поглотить, из-за чего мы можем любоваться серебристым сиянием Луны, прославленным легионами поэтов.
Лунные кратеры
В XVIII столетии астрономы достигли немалых успехов в описании движения Луны, но понимание специфики лунного рельефа и прежде всего наличия множества кратеров пришло гораздо позже. Долгое время фантазия исследователей не шла дальше примитивных земных аналогий — в основном в духе теории вулканизма. Это естественно, поскольку лунные кратеры в поле зрения телескопа похожи на вулканические кальдеры. Лишь в 1824 году немецкий астроном Франц фон Груйтуйзен догадался, что они имеют метеоритное происхождение. Гипотеза была блестящей, но объяснение оказалось неверным. Груйтуйзен утверждал, что метеориты проминают лунный грунт и уходят в глубину. Поскольку большинство этих тел падает отнюдь не вертикально, львиная доля кратеров вроде бы обязана иметь эллиптические очертания, а на самом деле они круглые.
Откуда взялась Луна
До недавнего прошлого все эти теории можно было подразделить на три семейства. В 1878 году английский астроном Джордж Дарвин (сын Чарльза Дарвина) высказал гипотезу, в соответствии с которой вскоре после рождения нашей планеты солнечные приливы оторвали от полужидкой Земли изрядный кусок и бросили его в пространство. Модель отрыва со временем была развита в нескольких вариантах, однако ни один из них не смог объяснить соотношение масс 1:81, которое существует в действительности. А после полетов «Аполлонов» этой гипотезе подставили ножку и геохимики. Если Луна оторвалась от земной мантии, то почему в ее породах содержатся более высокие концентрации титана и других тугоплавких элементов?
Вторая группа — теории захвата. Первую модель такого рода предложил в 1909 году весьма эксцентричный (он не просто отвергал теорию относительности, но считал ее глубоко аморальной!) американский астроном Томас Джефферсон Джексон Си. Он считал Луну блуждающим планетоидом, плененным земным тяготением. Эта идея просуществовала в различных версиях до середины XX века. Ее похоронили результаты вычислений, доказавшие, что Земля ни при каких мыслимых обстоятельствах не могла погасить скорость Луны до такой степени, чтоб свести ее с околосолнечной траектории.
Третья группа — модели бинарной аккреции. Впервые такую теорию выдвинула в 60-е годы Евгения Леонидовна Рускол, а позднее — и американские планетологи. Эта теория утверждает, что в активной фазе роста Земли вокруг нее из вещества протопланетного облака образовался рой мелких частиц и небольших тел, который довольно быстро сгустился и положил начало Луне. Эти модели неплохо интерпретируют многие различия в химическом составе Земли и Луны (например, дефицит лунного железа) объясняя их спецификой формирования роя и переработкой его вещества при последующих множественных столкновениях. Однако в рамки этих моделей плохо укладывается дефицит лунного водорода и прочих летучих элементов.
Метеоритная модель долгое время существовала в качестве смелой идеи без экспериментального обоснования, и ее разделяли лишь немногие ученые (следует отметить, что в 1921 году ее решительно поддержал немецкий геолог Альфред Вегенер, отец теории дрейфа континентов). Она была окончательно доказана лишь в середине прошлого века. Преобладание круглых кратеров нашло объяснение, когда ученые поняли, что метеориты при ударе о поверхность Луны взрываются и пробивают лунные породы ударной волной. Эксперименты показали, что в таких условиях кратеры остаются круглыми, если угол падения не превышает 80−85˚.
Первые шаги
В будущем году исполнится 50 лет с тех пор, как Луну стали исследовать с помощью космических аппаратов. Пионером в этом деле был Советский Союз. Первых три лунника запустили с Байконура в сентябре, октябре и декабре 1958 года, однако они были утеряны из-за аварий ракет-носителей. В 1959 году ушли в космос еще четыре автоматические станции, запрограммированные на жесткую посадку (фактически падение) на Луну. Одна из них опять-таки погибла при взрыве ракеты, но остальным повезло больше. «Луна-1» проскочила мимо цели, но зато превратилась в первый в мире искусственный спутник Солнца. «Луна-2» врезалась в лунный реголит 13 сентября, а «Луна-3» месяцем спустя отправила на Землю снимки обратной стороны Луны.
Лунные недра Согласно современным представлениям, Луна имеет относительно тонкую кору — около 60 км на стороне, обращенной к Земле, до 150 км — на противоположной (невидимой с Земли) стороне. Такая разница образовалась за счет приливных сил, действовавших миллионы лет, эти же силы синхронизировали вращение Луны вокруг своей оси с ее вращением вокруг Земли — за счет этого Луна всегда обращена к Земле одной стороной. Под корой находится твердая литосфера — верхняя часть лунной мантии, толщиной около 1000 км. Еще глубже лежит 400-км нижняя часть мантии — относительно мягкая и горячая астеносфера. И, наконец, в центре, скорее всего, находится 350-км ядро (существование его пока не доказано).
Первым американским аппаратом, сфотографировавшим перед падением на Луну ее поверхность, был зонд Ranger-7, выполнивший эту задачу 31 июля 1964 года. А первая мягкая посадка на поверхность нашего спутника была осуществлена опять-таки советской станцией «Луна-9» 3 февраля 1966 года (на три месяца раньше, чем это сделал американский Surveyor-1). Наконец, в апреле 1966 года «Луна-10» стала первым лунным спутником и до прекращения связи успела накрутить 460 витков.
Наивысшими достижениями в истории лунной космонавтики стали экспедиции американских кораблей Apollo-11, Apollo-12 (1969 год) и Apollo-14, 15, 16 и 17 (1971−1972), в результате которых на Землю было доставлено около 400 кг породы, взятой с разных участков видимой стороны Луны. СССР в 1970—1976 годах послал к Луне и на Луну еще десять станций. Одна из них погибла при запуске, и еще три не смогли осуществить свои программы. «Луны» с номерами 16, 20 и 24 возвратились на Землю с образцами минералов, «Луна-17» и «Луна-21» доставили по назначению два самоходных аппарата-лунохода, «Луна-22» провела серию исследований на окололунной орбите.
Вторая волна
В общей сложности в 1958—1976 годах СССР и США осуществили 58 лунных миссий, удачных и неудачных. А потом лунная программа погрузилась в долгую спячку. Через много лет ее прервала Япония, в январе 1990 года выведя на околоземную орбиту 197-кг станцию Hiten (в переводе с японского «Летающий ангел»), которая запустила к Луне небольшой аппарат Hagoromo. Возможно, он достиг цели, но из-за поломки радиопередатчика не смог об этом сообщить. Тогда в центре управления решили отправить к Луне саму станцию, причем по очень хитрому многомесячному маршруту, так называемому низкоэнергетическому трансферу, разработанному американским специалистом по небесной механике Эдвардом Белбрано (для разгона по стандартному пути не хватало топлива). Hiten сошел с круговой орбиты вокруг Земли 24 апреля 1991 года и в начале октября превратился в спутник Луны. Особых научных результатов эта миссия не принесла, ибо на борту станции был лишь счетчик космических частиц, который не зарегистрировал ничего интересного. По команде с Земли 10 апреля 1993 года «Летающий ангел» врезался в Луну.
Новые модели В последние десятилетия на первое место вышла принципиально новая модель нецентрального мегаимпакта. Она была впервые сформулирована в середине 70-х годов Уильямом Хартманом и Дональдом Дэвисом, но настоящий успех завоевала на конференции по проблемам происхождения Луны, состоявшейся в гавайском городе Каилуа-Кона в 1984 году. Согласно этой теории, Луна возникла в результате косого удара, нанесенного по новорожденной Земле (точнее, еще прото-Земле) другой юной планетой с вдесятеро меньшей массой. Этот удар сильно раскрутил Землю (вот вам и объяснение аномально большого момента импульса!) и выбил в пространство чрезвычайно горячее испарившееся вещество, которое со временем остыло и сконденсировалось. Поскольку выброшенная материя была позаимствована из мантий прото-Земли и планеты-импактора, в ней оказалось немного железа, которое успело сконцентрироваться в незатронутых ударом ядрах обеих планет. Модель мегаимпакта дает возможность объяснить больше особенностей системы Земля-Луна, нежели ее конкуренты. Тем не менее, по мнению одного из самых авторитетных американских специалистов по лунной геологии Пола Спудиса из хьюстонского Института лунных и планетных исследований, в этом кроется и ее слабость. Дело в том, что изменяя параметры этой модели (например, варьируя характеристики импактора), можно объяснить практически все, что угодно. Это означает, что модель легко подтвердить, но трудно опровергнуть. Ученые к таким всеобъясняющим концепциям обычно относятся с недоверием. С другой стороны, профессор планетологии Гавайского университета Джефри Тейлор (к слову, организатор конференции в Каилуа-Кона) в беседе с «ПМ» подчеркнул, что фальсификация модели мегаимпакта вполне возможна, только для этого необходимо собрать более полные сведения о составе лунных пород.
США возобновили лунные полеты спустя 22 года после завершения программы Apollo. 25 января 1994 года к Луне с авиабазы Ванденберг отправился 227-кг зонд Clementine с лазерным альтиметром, детектором заряженных частиц и пятью видеокамерами, работающими в разных диапазонах ИК-, видимого и УФ-света. 20 февраля он вышел на окололунную орбиту, сделал 330 витков и отправил на Землю 2,5 млн оцифрованных снимков. 3 мая зонд свели с орбиты для рандеву с астероидом 1620 Географос, но маневр не удался, и он ушел навеки кружиться вокруг Солнца.
Луна вкратце
Возраст Луны надежно определен радиоизотопным методом и практически совпадает с земным — около четырех с половиной миллиардов лет. Уже упоминалось, что лунная поверхность состоит из «морей» и «земель». Последних куда больше, они занимают 84% лунной площади. С помощью космических аппаратов установлено, что «моря» (которые по пока неизвестной причине почти полностью сосредоточены на видимой стороне Луны) представляют собой гигантские ударные кратеры, заполненные базальтами, сформировавшимися при охлаждении прорвавшейся из глубин магмы. «Земли» расположены выше «морей» и покрыты многочисленными горными хребтами. Из-за полного отсутствия воздуха поверхность Луны днем разогревается в среднем до 107 градусов Цельсия, а в ночное время остывает до -153 градусов.
Строение Луны много проще земного. Она покрыта довольно тонкой корой, средняя толщина которой составляет около 70 километров. Примерно на три четверти кора состоит всего из трех элементов — кислорода, кремния и алюминия. Она покоится на частично расплавленной мантии, под которой может находиться железо-сернистое ядро радиусом 350−400 километров, существование которого, впрочем, пока не доказано. В отличие от Земли, Луна лишена планетарного двухполюсного магнитного поля, однако ее породы хранят слабый остаточный магнетизм.
На лунных «землях» имеется несметное количество давно погасших вулканов. Есть все основания считать, что когда-то Луна была одета океаном лавы как минимум пятисоткилометровой глубины, который со временем остыл и кристаллизовался. Луна проявляла весьма высокую тектоническую и вулканическую активность в течение первых 600 миллионов лет своего существования. Эту активность усиливали и метеоритные бомбардировки, интенсивность которых значительно снизилась, когда возраст Луны достиг 800 миллионов лет. К этому времени лунные катаклизмы внутреннего происхождения тоже пошли на спад и еще через триста миллионов лет практически прекратились. Правда, вулканические извержения все-таки еще происходили — как считается, в последний раз около 800 миллионов лет назад (впрочем, это лишь предположение). С тех пор Луну серьезно колеблют лишь удары крупных метеоритов (которые могут пробить кору и вызвать выброс лавы из мантии) и приливные силы Земли и Солнца.
Этот американский лунник провел детальное картирование всей поверхности Луны и (что стало крупной сенсацией) собрал данные, которые указывали на наличие льдов в глубоких кратерах вблизи южного полюса. Через четыре года его преемник Lunar Prospector с помощью нейтронного спектрометра вроде бы заметил ледяные залежи вблизи обоих полюсов. Однако эти результаты допускают различные интерпретации, посему вопрос о существовании лунного льда до сих пор остается открытым.
Именно Луна является основной причиной образования приливных явлений на Земле. В зависимости от фазы Луны прилив может быть квадратурным (наиболее низкий) и сигизийным (наиболее высокий). Причина — во взаимном положении Земли, Луны и Солнца.
Новейшие исследования
Три последние лунные миссии осуществили уже в нашем веке. 27 сентября 2003 года Европейское космическое агентство отправило к Луне экспериментальный корабль SMART-1 с плазменным маршевым двигателем, работающим на ксеноне. Как и Hiten, он двигался по низкоэнергетической трансферной траектории и в конце ноября 2004 года вышел на сильно вытянутую полярную окололунную орбиту. Оттуда он разглядел немало интересного, в частности обнаружил, что вблизи полюсов повышена концентрация весьма редкого на Луне водорода и что некоторые полярные зоны почти постоянно освещены Солнцем, чего никто не ожидал. 3 сентября 2006 года SMART-1 совершил запрограммированное самоубийство тем же самым способом, что и японский коллега.
А последние два зонда и сейчас работают на благо науки. 14 сентября 2007 года с японского космодрома на острове Танегашима стартовал почти двухтонный корабль Kaguya. Помимо видеокамеры высокого разрешения и 14 приборов он нес 53-кг лунный мини-спутник Ouna и 12 октября отстрелил его с окололунной орбиты. Во время работы над этой статьей оба аппарата функционировали штатно (лунного льда Kaguya пока не нашел). И наконец, 24 октября китайская ракета «Великий поход-3А» стартовала с 2350-кг орбитальной станцией Chang«e 1, которая сейчас тоже крутится вокруг Луны. Данными, полученными с ее помощью, китайские астрономы ни с кем пока не делятся. В этом году в путь должны уйти и новые лунники. Индия планирует отправить на полярную окололунную орбиту автоматическую станцию Chandrayaan-1, несущую с десяток приборов и небольшой зонд-импактор. NASA рассчитывает запустить еще два аппарата, Lunar Reconnaissance Orbiter и Lunar CRater Observation and Sensing Satellite.
