Книга: Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

«Клементина» и «Лунар Проспектор» исследуют Луну

После 1976 г. экспедиции к Луне прекратились на 15 лет. Это не означает, что о Луне забыли. На ее поверхности несколько лет работали приборы (например, сейсмографы), доставленные экспедициями «Аполлон». Используя отражатели лазерного луча, закрепленные на советских и американских лунниках, астрономы с небывалой точностью измеряли расстояние до Луны и создавали новую теорию ее движения и внутреннего строения. Геологи, развивавшие новую науку — планетологию, внимательно изучали сотни килограммов лунного грунта, доставленного пилотируемыми и автоматическими аппаратами.

В 1990 г. космический зонд «Галилео» (США), запущенный для изучения системы Юпитера, попутно сфотографировал Луну в разных диапазонах излучения. В том же году Япония запустила к Луне зонд «Хайтен» (Muses-A), имевший на борту аппарат «Хагоромо» массой 12 кг., предназначенный стать спутником Луны, но этот аппарат был потерян. А сам зонд «Хайтен» совершил несколько маневров в поле Земли и Луны, побывал в окрестности точек L₄ и L₅ системы Земля-Луна (не обнаружив там избыточного количества межпланетной пыли) и даже совершил аэродинамическое торможение в атмосфере Земли (на высоте 125,5 км.), после чего стал спутником Луны и 10 апреля 1993 г. упал на ее поверхность. Новых данных о Луне этот аппарат практически не принес.

Спустя четыре года США отправили к Луне зонд «Клементина» («Clementine»), задачей которого было детальное исследование с низкой орбиты поверхности нашего спутника.

«Клементина» — необычный космический проект. Этот аппарат был разработан в рамках программы Стратегической оборонной инициативы (СОИ) Министерства обороны США, и вначале основной его целью было вовсе не изучение Луны, а испытание в длительном полете электронных компонентов, которые могли бы использоваться на военных спутниках. Предполагалось выполнить эту программу на околоземной орбите. Но ученые убедили военных, что если вывести аппарат на межпланетную траекторию, то можно провести испытания в условиях, «приближенных к боевым»: на более высоких космических скоростях и в условиях космической радиации. Поэтому в Пентагоне приняли решение отправить «Клементину» к Луне, попутно дооснастив ее комплектом научного оборудования.

Доработка «Клементины» шла в рамках новой американской стратегии исследования космоса, суть которой — создание легких, дешевых и высоконадежных аппаратов. Действительно, с уменьшением массы космического аппарата значительно увеличивается его надежность и, кроме того, для вывода таких аппаратов на требуемую орбиту можно использовать более дешевые маломощные ракеты. Масса «Клементины» вместе с топливом составила всего 424 кг. По форме аппарат напоминал цилиндр диаметром чуть более 1 м. и длиной около 2 м. Он потреблял небольшую электрическую мощность (360 Вт.), причем на долю научных приборов приходилось всего 60 Вт. При общей массе научной аппаратуры всего 8 кг. ее перечень впечатляет: камеры близкого и дальнего инфракрасного диапазонов, камера высокого разрешения, камера ультрафиолетового и видимого диапазона, лазерный дальномер, радиопередатчик. Достичь такой высокой «плотности» приборов оказалось возможным, применив самые современные технологии.

Запуск «Клементины» состоялся 25 января 1994 г. Почти месяц спустя, после ряда орбитальных маневров и испытаний оборудования, аппарат вышел на лунную орбиту и более двух месяцев проводил исследования, благодаря которым наши знания о Луне существенно обогатились. Два миллиона снимков Луны, включая еще не исследованные полярные области, были получены в 11-ти диапазонах видимого, инфракрасного и ультрафиолетового излучения с разрешением до 100 м.; сделано несколько десятков тысяч замеров высоты с точностью до 40 м. — планетологи впервые стали обладателями такой уникальной информации. В мае 1994 г. спутник покинул окололунную орбиту, чтобы встретиться с астероидом Географос, но из-за нештатной работы двигателя остался на околоземной орбите. Анализ данных, полученных «Клементиной» вблизи Луны, позволил сделать немало открытий.

Например, новые данные о лунном рельефе подтвердили существование древних, почти стертых ударных бассейнов, у которых не сохранился четкий вал, но еще заметна впадина на лунной поверхности. Впервые на их существование указали немногочисленные кольцеобразные структуры, попавшие на снимки, переданные американскими спутниками «Лунар Орбитер». Данные лазерного высотомера «Клементины» не только подтвердили существование таких структур, но и показали их значительную глубину — даже у наиболее стертых образований она составляет 5—6 км. В общей сложности теперь известно на Луне более сорока ударных бассейнов.

Особый интерес представляет гигантская ударная структура диаметром 2500 км. на обратной стороне Луны. Впервые ее заметили на снимках, доставленных на Землю советской автоматической станцией «Зонд-6» в 1968 г. Тогда наши ученые предложили назвать эту область Море Юго-Западное, но имеющихся в то время данных было недостаточно, чтобы надежно определить ее строение. Благодаря «Клементине» теперь стало ясно, что это самое значительное образование на нашем естественном спутнике. Его уже успели окрестить «бассейн Южный Полюс-Эйткен», поскольку центр этой области лежит между кратером Эйткен и южным полюсом Луны. По данным «Клементины» глубина этого гигантского бассейна составляет около 12 км. Если учесть его размеры, то окажется, что на сегодняшний день это самое большое из всех известных нам ударных образований в Солнечной системе. Представьте — его диаметр превышает 2/3 диаметра Луны!

Столкновение нашего естественного спутника с телом, породившим бассейн Южный Полюс-Эйткен, произошло на самой ранней стадии истории Луны — около 4 млрд. лет назад. Скорее всего, тело, упавшее в этом месте, проникло на глубину в 120 км., достигнув верхней мантии. Будь это тело чуть крупнее, Луна могла бы не пережить такую катастрофу и расколоться на множество фрагментов.

Основной задачей «Клементины» была съемка всей поверхности Луны в различных диапазонах излучения — от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного. Астрономы впервые получили спектральные изображения нашей соседки, сделанные с одинаковым угловым разрешением и при одинаковых условиях ее освещенности Солнцем. Поскольку разные минералы по-разному отражают солнечный свет, сравнение снимков одной и той же области в разных лучах позволили составить подробную геологическую карту Луны. По этим снимкам, например, можно будет выявить на лунной поверхности весьма важный для жизнеобеспечения будущих лунных баз кислородосодержащий минерал — ильменит.

Изучение снимков гигантского бассейна Южный Полюс-Эйткен показало наличие там вещества, богатого железом и титаном. По-видимому, оно было выброшено на поверхность из лунных недр во время взрыва в момент падения тела, породившего этот бассейн. Теперь геологам, чтобы узнать состав лунных недр четыре миллиарда лет назад, достаточно будет внимательно изучить то, что находится на поверхности этого гигантского ударного образования. Но самым значительным открытием, безусловно, стало обнаружение на Луне водяного льда. Впрочем, для ученых, готовивших полет «Клементины», это не стало неожиданностью: поиск ледяных шапок на полюсах Луны был целью одного из экспериментов. Еще задолго до полета родилась идея: поскольку вблизи лунных полюсов Солнце не поднимается высоко и поэтому не может осветить дно глубоких кратеров, там вполне могли бы сохраниться залежи водяного льда. Источником воды могут быть как ядра упавших на Луну комет, так и недра самой Луны.

«Клементина» искала лед методом радиозондирования: с помощью своего передатчика аппарат облучал лунную поверхность, а отраженный сигнал принимали на Земле и по его спектру судили о веществе, от которого он отразился. Буквально первое же зондирование района южного полюса показало, что интенсивность и поляризация радиоэха от небольшой области между полюсом и кратером Амундсен резко отличались от значений, характерных для обычного лунного грунта, но оказались близки к данным для Гренландии и ледяных галилеевых спутников Юпитера.

Разумеется, данные «Клементины» — это лишь косвенное свидетельство присутствия льда на Луне; их еще необходимо подтвердить прямыми исследованиями. Но даже если лед там есть, то получить из него воду будет не так-то просто, ведь он должен содержать огромное количество примесей. Но какой бы грязной ни была эта вода, для лунных колонистов окажется значительно проще и дешевле добывать ее из полярных шапок, чем привозить с Земли. Кроме того, разделяя воду с помощью солнечной электроэнергии на водород и кислород, можно будет использовать их в качестве горючего.

Известие о возможности существования залежей водяного льда у лунных полюсов усилило интерес к спутнице Земли. В январе 1998 г. к ней отправился американский зонд «Лунар Проспектор» («Lunar Prospector», Лунный изыскатель), чтобы получить подробные карты химического состава поверхности и уточнить параметры магнитного поля Луны. Став «спутником спутника», он оказался на низкой орбите высотой около 100 км. Среди его приборов были гамма-спектрометр и нейтронный спектрометр, с помощью которых проверяли данные «Клементины» о присутствии льда на Луне. Измеряя поток нейтронов, испускаемых лунным грунтом под действием космических лучей, можно оценить содержание водорода в реголите. Нейтронный спектрометр «Лунар Проспектора» уверенно зарегистрировал уменьшение средней энергии медленных нейтронов на дне вечно затененных кратеров в полярных областях Луны. Это весьма надежно указывает на присутствие в «холодных ловушках» нескольких сотен миллионов тонн водорода, возможно, в виде водяного льда. К сожалению, на полюсах Луны нет сплошных снежных шапок, как в Антарктиде или на Марсе. В смеси лунного реголита с водяным льдом максимально возможная доля льда составляет всего 1—2% по массе.

После получения предварительных данных о запасах лунного льда «Лунар Проспектор» перевели на еще более низкую орбиту высотой всего 30 км. Любопытно, что были предложения перевести аппарат на орбиту высотой 10 км.(!), но их отклонили, учитывая, что некоторые лунные горы возвышаются на несколько километров. Напомним, что спутники Земли не могут обращаться на столь низких орбитах из-за наличия атмосферы у нашей планеты.

Анализ данных, полученных с низкой орбиты, подтвердил наличие на Луне соединений водорода. После этого решено было закончить жизнь «Лунар Проспектора» нестандартным образом: 31 июля 1999 г. по команде с Земли он сошел с орбиты и упал в районе южного полюса Луны. Ученые надеялись, что этот удар выбросит в окололунное пространство водяной пар, который можно будет зарегистрировать с Земли в телескоп. Но даже космический телескоп «Хаббл» не смог обнаружить признаки пара после падения зонда на Луну. А ведь этот телескоп очень зоркий: если бы в результате удара о Луну было выброшено всего 30 кг. водяных паров, он бы это заметил…