Обратно на Луну: что удалось узнать благодаря луноходам и «Аполлонам»

Геолог Александр Базилевский о советских луноходах, научных результатах программы «Аполлон» и возвращении на Луну

Полвека назад, 21 июля 1969 года, астронавты миссии «Аполлон-11» Нил Армстронг и Эдвин Олдрин впервые в истории человечества шагнули на поверхность Луны. До этого к спутнику Земли летали советские и американские автоматические станции. Сегодня к Луне продолжают отправлять космические аппараты, но пилотируемые миссии прекратились на долгие годы. Хотя Луна — ближайшее к нам небесное тело, мы до сих пор очень многого о ней не знаем. Что удалось узнать о нашем ближайшем космическом соседе с помощью советских аппаратов и пилотируемых полетов в рамках программы «Аполлон» и для чего человечеству может понадобиться Луна?

Казалось бы, беспилотные аппараты могут делать все, чего не может делать человек. Они более устойчивы к перепадам температур, радиации и механическому воздействию; например, можно сделать аппараты с подогревом, такие как советские луноходы, которые ночью подогревались с помощью радиоактивных изотопов. Их можно отправлять туда, где человеку грозит опасность, — скажем, в глубокие тектонические разломы, где кромешная темнота, очень низкая температура и чрезвычайно сложные условия для спуска и подъема. Они могут работать на поверхности другой планеты долгие годы. Но у пилотируемых миссий есть одно неоспоримое преимущество. Человек умственно более гибок, чем аппарат: он способен принимать нестандартные решения. Космонавт может увидеть что-то необычное и отреагировать на это: сделать фотографию, взять образец, собрать данные.

Хотя высадка на другое небесное тело сама по себе является историческим событием, первые миссии программы «Аполлон» на Луне были менее эффективны с научной точки зрения, чем последующие. В условиях борьбы за первенство в космосе NASA очень торопились. Поэтому научные инструменты внедрялись и совершенствовались постепенно.

Первые путешествия по Луне

В первых миссиях не было луномобилей, и астронавты передвигались пешком на небольшие расстояния. В «Аполлоне-14» (1972) для перевозки научной аппаратуры была предусмотрена небольшая тележка. Драматичная миссия «Аполлон-13» (1970), во время которой произошел взрыв на борту корабля, закончилась для астронавтов счастливо — они чудом вернулись домой, но полноценно вести научные наблюдения в таких обстоятельствах они не могли. Луномобили стали использоваться, начиная с миссии «Аполлон-15» (1971). Они могли перемещаться на расстояние в несколько десятков километров. Но в NASA понимали, что луномобиль может сломаться, поэтому их отправляли недалеко — так, чтобы астронавты в случае поломки транспортного средства могли вернуться к спускаемому аппарату пешком. Пилоты, которые оставались на орбите, фотографировали поверхность Луны. И хотя наиболее детальные снимки были сделаны над местом посадки лунного модуля, они смогли получить множество фотографий других мест, в том числе обратной стороны спутника.

У советских автоматических луноходов был прибор для определения элементного состава грунта. В американских пилотируемых миссиях этого не делали — просто собирали образцы без предварительного анализа и сортировки. У астронавтов были в распоряжении детальные снимки поверхности и хорошая команда геологов, которая планировала их маршруты. Иногда дойти до конца маршрута не получалось. Так, астронавты «Аполлона-14» получили задание выйти на вал кратера Cone (Конус), диаметр которого равен 340 метрам. Ученым очень хотелось получить образцы с вала этого кратера. Но потерявшиеся среди развалов камней астронавты не смогли заглянуть внутрь кратера.

Изучение состава Луны

Хотя среди американских астронавтов программы «Аполлон» был всего один ученый-профессионал, геолог Харрисон «Джек» Шмитт, в целом у них была хорошая подготовка. Их возили на Земле по интересным с точки зрения геологии местам, читали для них лекции. Это дало отличные результаты. Шагая по лунному Морю Дождей, командир корабля «Аполлон-15» Дейв Скотт увидел белый кусок породы размером чуть больше кулака. Он вспомнил, как им рассказывали на лекции, что на материке залегают более древние, чем в морях, породы, среди которых есть белые анортозиты. «Этот камень мог попасть сюда с материка», — подумал астронавт и поднял его. Образец оказался очень ценным.

Во время миссии «Аполлон-17» Харрисон Шмитт и его напарник Юджин Сернан заметили на лунной поверхности нечто красноватое. Необычный цвет породы привлек их внимание, и они, не понимая, что это такое, взяли образец. Оказалось, что этот оранжевый тонкозернистый песок — результат пирокластического вулканического извержения. Если вулкан извергается очень интенсивно, с большим количеством газа, то лава не изливается, а бьет фонтаном, и в полете ее кусочки застывают в виде шариков.

Хотя факт вулканического извержения на Луне казался странным, в самих по себе образцах не увидели тогда ничего особенного. Но спустя десятилетия, в 2008 году, геологи и петрологи из Университета Брауна нашли в этих розовых образцах следы воды, растворенной в вулканическом стекле. Выходит, что газ, ответственный за это извержение, содержал много воды. А откуда она могла взяться? Из недр Луны. Более того, оказалось, что воды в этом источнике извержения примерно столько же, сколько в магме, которая находится на Земле под срединно-океаническими хребтами. Это вода не океаническая — она поступает с больших глубин вместе с магмой.

Это было крупным открытием. До этого достоверных следов воды не находили ни в образцах, привезенных американскими астронавтами, ни в пробах грунта, взятых советскими луноходами. Довольно убедительно нашла спектроскопические следы воды в советских лунных образцах Майя Ахманова из Института геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского, и ее данные тогда опубликовали, но им никто не поверил. И вот спустя десятилетия в Университете Брауна им было получено надежное подтверждение. Сейчас находят воду в ряде других образцов. А все началось с того, что астронавты увидели нечто необычное и отреагировали на это. Конечно, на современных автоматических аппаратах стоят спектрометры, но они не заметят того, что не предусмотрено программой.

Добыча советских луноходов

Хотя советские космонавты не побывали на Луне, советские автоматические аппараты дали ученым много новой информации. Благодаря луноходам было получено много изображений поверхности Луны, пусть и не очень высокого качества. Это помогает, в частности, выбирать наиболее подходящие места для посадки.

На луноходах был установлен прибор «Рифма», который изучал элементный состав поверхности с помощью рентгенофлуоресцентного анализа. Состав поверхности измеряли в разных местах. Оказалось, что чем ближе мы подходим к лунному материку — гористой и испещренной кратерами части лунной поверхности, тем больше там кальция и меньше железа. И наоборот, чем дальше от материка, тем больше железа и меньше кальция.

Луноходы также были оснащены инструментом ПрОП — прибором оценки проходимости, который измерял физико-механические свойства лунного грунта. Он представлял собой конус с лепестками, который внедрялся в поверхности, в грунт. Измерялось усилие внедрения: если грунт слабый, инструмент внедрялся легко, если прочный — ввести туда прибор было затруднительно. Эти измерения прочности грунта геологи связали с геологическими наблюдениями.

На «Луноходе-2» был установлен советский магнитометр СГ-70А, который непрерывно, во время движения и ночных стоянок, измерял межпланетные магнитные поля, которые искажаются взаимодействием с телом Луны. Были зафиксированы характерные вариации магнитного поля на поверхности Луны, когда луноход не двигался. Данные этих наблюдений сказали нечто о внутреннем строении Луны. Был проведен специальный эксперимент, когда луноход пересекал один и тот же небольшой кратер несколько раз. Поскольку его моторы были электрические, то были очень сильные электромагнитные шумы, наводки. Команда магнитологов из Пахры эти шумы устранила и показала, что маленький кратер, около 10–20 метров в поперечнике, может влиять на магнитное поле. А ученые из Института динамики геосфер объяснили, как метеоритные удары влияют на магнитное поле Луны. При высокоскоростном ударе происходит плазменная вспышка, и минералы, такие как титаномагнетит, запоминают ее.

Кроме того, на «Луноходе-2» Крымская обсерватория установила прибор, который ночью смотрел вверх. Этот прибор зафиксировал слабое свечение — признак того, что над Луной есть пылевая, очень разреженная атмосфера. Другой прибор измерял космическое излучение в течение длительного периода.

Как экспедиции «Аполлона» помогают изучать Луну

Астронавты «Аполлона» установили на поверхности Луны сейсмографы. Сейсмографы «Аполлона-17» были дополнены маленьким минометом и стреляли небольшими зарядами, что позволило промерять строение на глубину где-то в первые сотни метров. Сейсмографы, установленные в этом и других местах посадки, регистрировали удары крупных метеоритов, что позволяло просвечивать лунные недра на большую глубину. Кроме того, эти наблюдения помогли открыть, что на Луне происходят лунотрясения. Эти лунотрясения случаются под действием гравитационного влияния Земли, когда Луна проходит к ней ближе всего. Было зафиксировано около двадцати слабых поверхностных лунотрясений с магнитудой до 3,5.

С 2010 года вокруг Луны обращается американский аппарат Lunar Reconnaissance Orbiter, который снимает поверхность с очень высоким разрешением. Группа американских геологов стала внимательно изучать огромные массивы новых снимков. И они нашли следы тектонических нарушений: надвиги, извилистые гряды, известные и раньше. Но тут выяснилось, что некоторые из этих тектонических образований нарушают маленькие кратеры, а это говорит о том, что часть этих надвигов и гряд очень молодая — не древнее десятка миллионов лет. Могли ли лунотрясения привести к подобным образованиям? Пока неясно. На Земле образование подобных надвигов сопровождается землетрясениями. Наверное, это происходит и на Луне.

И наконец, как уже сказано выше, сейсмографы дали информацию о том, как устроена Луна внутри. Скорости продольных и поперечных волн пересчитываются в плотности, которые дают информацию о минеральном составе планеты.

Советские луноходы и американские астронавты разместили на поверхности Луны несколько уголковых отражателей. Что это такое? Если вы возьмете коробку и наискось срежете у нее угол, а потом посеребрите внутреннюю поверхность и направите туда луч, он отразится строго в обратном направлении. Так лучи лазера посылаются на Луну с Земли, а расставленные там отражатели возвращают их. Это позволяет измерить расстояние между лазером на Земле и отражателем на Луне с точностью до миллиметров.

С помощью этих данных мы можем выявить неидеальности вращения Луны вокруг ее собственной оси, связанные с гравитационным воздействием Земли. У Луны не идеально круглая орбита, а чуть-чуть вытянутая, и она как бы покачивается, показывая 9% своей обратной стороны. Эти покачивания называются либрациями. Детали либрации говорят о том, что в глубоких недрах Луны находится не твердое, а вязкое, расплавленное вещество. Самую ценную информацию о либрациях дает французский уголковый отражатель, установленный на «Луноходе-1». Он находится там, где либрации наиболее заметны, — дальше всего от центра видимого полушария Луны.

Зачем сегодня исследовать Луну?

Исследователи искали и ищут на Луне воду. Почему так важно знать о ее существовании? Эта информация помогает уточнять существующие гипотезы о происхождении спутника.

Модель ударного формирования Луны гласит, что когда-то произошло столкновение Земли, которая была немного больше, чем сейчас, с космическим объектом размером с Марс. Часть горячих выбросов была поймана гравитационным полем Земли на околоземную орбиту. И эти очень горячие частицы потом соединились (аккретировали) в Луну. Раньше, когда признаков воды не находили, отсутствие воды связывали именно с ударным формированием. Был даже красивый термин bone-dry — Луна, сухая как кость.

Другая известная гипотеза — совместная аккреция Луны и Земли из одного протопланетного сгущения. Эта идея позволяет допустить, что Луна не обеднена водой.

Казалось бы, наличие на Луне воды доказывает гипотезу совместной аккреции. Но все не так просто. Если немного скорректировать модели, которые астрофизики используют для объяснения того, как испаряется или удерживается вода, то и в гипотезе большого удара можно сохранить какую-то долю воды. Поэтому дискуссия продолжается и подпитывается все новыми и новыми данными о количестве воды в образцах лунного грунта. Более того, стало возможно изучать изотопный состав водорода. Раньше в таких микроколичествах это было невозможно.

Еще один открытый вопрос: почему обратная сторона Луны не похожа на сторону, обращенную к нам? На обоих полушариях есть довольно много крупных понижений, так называемых бассейнов. Но на обратной стороне Луны они не заполнены базальтовыми лавами, в отличие от видимой стороны, где покровы базальтовых лав в этих понижениях, в основном в ударных, формируют лунные моря. Почему на обратной стороне нет морей? Есть две версии. Согласно первой, в некой части Луны магматические источники были ближе к поверхности, чем сейчас. Происходили извержения базальтовых лав, которые, затвердевая, становились очень плотными. И постепенно Луна обратилась к Земле стороной, где были скопления плотного вещества. Согласно противоположной точке зрения, Земля своим притяжением способствовала тому, что на видимой стороне источники базальтовых лав были немного ближе к поверхности, чем на обратной, и излияния происходили гораздо чаще. Что из этого ближе к действительности, пока неясно.

И наконец, чрезвычайно интересно изучать новые источники лунного вещества. Образцы, которыми располагают геологи, не ограничиваются пробами, взятыми астронавтами и автоматическими станциями. Интересно исследовать лунные метеориты. Так как Луна — это сравнительно небольшое тело, чтобы улететь с нее, нужна скорость всего лишь больше 2 км/с. Какая-то часть вещества, отколовшегося от лунной поверхности при энергичном ударе большого метеорита, приобретает такую скорость и улетает с Луны. Часть этих выбросов попадает в сферу притяжения Земли, и они падают на ее поверхность. Геологи уже научились различать лунные метеориты и те, которые прилетели из астероидного пояса между Марсом и Юпитером. Более того, в распоряжении ученых есть несколько десятков метеоритов, по составу которых очевидно, что они прилетели с Марса.

Возвращение на Луну

По-видимому, пилотируемые миссии к Луне все еще актуальны. Конечно, значительную роль в подобных решениях играет политический аспект. NASA планирует пилотируемый полет к Луне в 2024 году, и, если их планы осуществятся, на поверхность спутника ступит женщина-астронавт. В Университете Брауна команда планетологов в сотрудничестве с астронавтом Дэвидом Скоттом разрабатывает план посадки нового корабля в том же районе, где в свое время приземлился «Аполлон-15». Увидим ли мы там что-то новое, если будем использовать новейшую технику и научные методы? Кроме того, на Луне есть места, где с помощью дистанционных орбитальных наблюдений и спектроскопии нашли новые залежи пирокластических отложений и других необычных горных пород. Таким местом является, например, Море Москвы. Если отправить туда космонавтов, они могли бы взять интересные пробы. Но необходимо, чтобы космонавты были хорошо подготовлены с точки зрения геологии Луны.

Есть и более прикладные направления. Обсуждается создание посещаемых или долговременных баз на Луне. Например, на обратной стороне Луны, куда не доходит радиоизлучение с Земли, можно установить крупный радиотелескоп, чтобы обозревать Вселенную без земных помех. Кроме того, там можно основать базу, чтобы собирать корабль и оснащать его горючим и окислителем для дальнейшего полета, стартуя уже с Луны к Марсу. Хорошим местом для размещения таких баз являются полярные области, где Солнце светит очень косо и есть холодные зоны вечной тени. Там, в реголите, скрываются запасы водного льда. Эту воду можно разлагать на водород и кислород, которые будут использоваться в качестве ракетного топлива и окислителя соответственно. У полюсов Луны также есть места, где почти не заходит солнце, такие как гора Малаперт. Это позволяет неограниченно использовать солнечную энергию. Сборку кораблей можно осуществлять и на окололунной орбите.

Человечество обязательно вернется на Луну, но для этого необходимо тщательно продумать множество деталей, таких как оснащение лунных баз. Например, помимо луномобилей, которые позволят астронавтам уезжать от базы на сотни километров и исследовать местность, на базе должна быть система спасения — летательный аппарат, который мог бы в случае аварийной ситуации добраться до людей и спасти их. Хотя это чрезвычайно трудные задачи, их вполне реально осуществить.

Александр Базилевский

доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории сравнительной планетологии Института геохимии и аналитической химии РАН, член научной группы Луноходов 1 и 2

Источник: postnauka.ru