Как на полюсах спутника Земли обнаружили лед
Американские ученые изучили данные, полученные с помощью индийского зонда «Чандраян-1», и обнаружили признаки присутствия водяного льда прямо на лунной поверхности — в области полюсов. Историю поисков воды на Луне по просьбе N + 1 рассказывает блогер и популяризатор космонавтики Виталий «Зеленый Кот» Егоров.
Долгое время Луну изучали только методом прямого наблюдения с Земли. Оптимистичные ожидания и первые низкокачественные телескопы позволили ученым разместить на лунных картах «моря», «заливы» и «болота». Когда оптика стала более совершенной, Луна предстала перед астрономами сухой и безжизненной.
Космическая эра открыла новые перспективы в изучении естественного спутника Земли. Луне как относительно близкому к Земле небесному телу «повезло» оказаться ареной противостояния двух сверхдержав. «Лунная гонка» между СССР и США не только способствовала развитию технологий, но и позволила достичь прорыва в научных знаниях.
Правда, вопрос о воде так и не был решен. В лунном грунте, доставленном американскими астронавтами, обнаружилось содержание одного процента воды, но ученые из NASA не готовы были признать этот факт, противоречивший тогдашним представлениям о Луне. Американцы подозревали, что влага могла попасть в образцы на космическом корабле, во время его возвращения на Землю.
Другие образцы лунного грунта, добытые советскими учеными, также показали незначительное содержание воды — около 0,1 процента. Эти результаты были опубликованы в 1978 году, но в те годы к ним отнеслись без должного внимания. Тогда считалось, что формирование Луны сопровождалось процессами высокого нагрева и активного вулканизма, а значит, всякая вода должна была улетучиться миллиарды лет назад.
Сейсмические эксперименты, входившие в программу Apollo, казалось, подтвердили гипотезу о сухой Луне. Удары использованных ракетных ступеней и космических кораблей о поверхность спутника Земли вызывали в его недрах, по данным регистраторов, эффект, подобный «колокольному звону». Сейсмические волны не утихали десятки минут, и это окончательно убедило ученых в отсутствии на Луне жидкой воды, которая придает недрам пластичность, способную быстро погасить сейсмическую активность.
Тем не менее, исследования продолжились. Малый космический аппарат Clementine, запущенный к Луне американскими учеными и военными в 1994 году, провел бистатический радарный эксперимент, нацеленный на поиск водяного льда у лунных полюсов. Суть эксперимента состояла в облучении теневых участков полюсов радиоволнами от бортового радиокомплекса Clementine и приеме отраженных волн 70-метровой антенной системы Дальней космической связи NASA на Земле. Интенсивность и поляризация отраженных радиоволн позволили ученым заявить о наличии залежей льда в районе южного полюса, объем которых оценили примерно в один кубический километр. Однако попытки воспроизвести результаты этого эксперимента при помощи 300-метровой антенны радиотелескопа Arecibo результатов не дали.
В дальнейшем именно полюса привлекали внимание ученых, поэтому надо пояснить, почему лунную воду ищут именно там. Луна вращается вокруг Земли по орбите с наклоном около 5 градусов от плоскости эклиптики, в которой вращаются все околосолнечные планеты. При этом относительно собственной оси Луна вращается практически вообще без наклона, поэтому в некоторые глубокие полярные кратеры Солнце не заглядывает никогда и там сохраняется температура поверхности -230 градусов Цельсия. Освещенная же лунная поверхность в полуденное время нагревается до 150 градусов Цельсия, и никакой лед сохраниться там не может. Вода на поверхности Луны могла оказаться в результате извержения вулканов в составе вулканических газов или в результате падения комет или астероидов, содержавших воду. Во всех случаях испаренная вода и другие летучие газы формировали временную лунную атмосферу, которая конденсировалась в холодных полярных кратерах. Что не успевало сконденсироваться, улетучивалось в космос, и так могло повторяться неоднократно, то есть залежи лунной воды и других летучих соединений могли бы рассказать о древней истории нашего спутника.
Другой механизм появления воды в приповерхностном слое Луны может быть связан с его постоянной бомбардировкой частицами солнечного ветра. В основной своей массе солнечный ветер — это поток протонов, которые и есть ядра атомов водорода. Встречаясь с атомами кислорода в грунте Луны, протоны могут формировать молекулы гидроксильной группы (OH) и воды (H2O).
Зонд NASA Lunar Prospector отправился на окололунную орбиту в 1998 году для подтверждения результатов Clementine и нес на борту новый прибор, способный обнаруживать воду — нейтронный спектрометр. Принцип его работы состоит в регистрации и измерении энергии и скорости вылетающих с лунной поверхности элементарных частиц — нейтронов. Нейтроны выбиваются тяжелыми заряженными космическими частицами из лунного грунта с глубины до одного метра. Атомы водорода способны их замедлять, поэтому скорость вылета нейтронов с поверхности Луны зависит от концентрации водорода в грунте. Водород в свободной форме в грунте безатмосферного тела не задержится, следовательно, он должен находиться там в химически связанном состоянии, в том числе в виде воды.
Нейтронный спектрометр Lunar Prospector обнаружил повышение концентрации водорода в поверхности Луны у полюсов. По его данным, воды в приполярных регионах может содержаться три-четыре процента от массы верхнего слоя грунта.
Радиофизики NASA решили еще раз проверить данные, полученные аппаратом Clementine, при помощи индийского зонда «Чандраян-1», на котором разместили небольшой зондирующий радар Mini-SAR. В отличие от аппаратуры на Clementine ему не требовались наземные станции, чтобы принимать отраженный сигнал, поэтому разрешающая способность и детализация изображений была намного выше. Прибор генерировал радиоволну круговой поляризации и оценивал характеристики отраженного от грунта сигнала. Mini-SAR «просвечивал» грунт не глубже, чем на 40 сантиметров, позволяя определять разницу в структуре поверхности и содержании в ней льда. Чтобы «взглянуть» глубже, ученые уделяли внимание прежде всего молодым метеоритным кратерам, которые обнажали залегающие ниже слои.
Оказалось, что на радиоизображениях ярче выделяются грубые обломки породы и столь же яркими должны быть залежи льда, смешанные с грунтом. Отличить по данным Mini-SAR кратеры с каменистой поверхностью и содержащие водяной лед не представлялось возможным, но хорошую подсказку дала выброшенная из кратера порода. Там, где окрестности кратера такие же яркие, как и его внутренняя часть, радар, скорее всего, зафиксировал просто каменные обломки. Там же, где яркость внутреннего пространства полярного кратера сильно контрастирует с окружающей поверхностью, более вероятно залегание водяного льда.
На борту «Чандраяна-1» размещался и оптический прибор — мультиспектральный сканер Moon Mineralogy Mapper. Его задачей было картографирование распространения различных минералов на поверхности Луны. С его помощью обнаружили и распространение минералов, богатых гидроксилом и водой, причем, в отличие от других данных, — не только в приполярных областях.
Расставить все точки над i должен был следующий аппарат NASA — Lunar Reconnaissance Orbiter, запущенный в 2008 году. Его оснастили «полным пакетом» разведчика воды: радаром, ультрафиолетовым спектрометром и нейтронным детектором.
Нейтронный детектор
спутника LRO — российской разработки и производства. Это прямой потомок детектора HEND, который сумел обнаружить и картографировать залежи марсианской воды во время работы на зонде Mars Odyssey. LEND представляет следующее поколение нейтронных детекторов и имеет повышенную точность по сравнению с детектором Lunar Prospector и Mars Odyssey. Российский лунный прибор оснащен так называемым «коллиматором» — ограничителем, который позволяет на порядок сузить поле сканирования, а значит, повысить разрешающую способность прибора, то есть в подробностях увидеть распределение воды в верхнем метре лунной поверхности.
LRO дал возможность увидеть испарения воды над Луной при помощи отработанного еще в программе Apollo метода ударного воздействия. Ударным средством стал разгонный блок Centaur, который доставил LRO к Луне. Дополнительно на Centaur был размещен отдельный исследовательский аппарат LCROSS, который летел сразу следом за разгонным блоком, чтобы проанализировать вспышку и выброс от его падения в кратере Кабеус. LCROSS сумел зарегистрировать линии водяного пара в спектре ударной вспышки, однако выброс оказался в несколько раз слабее, чем ожидалось. Все попытки наблюдать вспышку с Земли, даже в самые большие телескопы, оказались неудачны. К тому же сам Centaur содержал остатки кислород-водородного топлива, которые могли внести искажения в итоговые результаты. По данным LCROSS, в грунте Кабеуса содержалось около 5 процентов воды.
За несколько лет работы LEND сумел собрать данные о распределении водорода в поверхности Луны как в обычном режиме, там и через коллиматор. Привычный режим исследования, когда детектор принимает летящие во всех сторон нейтроны, показал результаты, сходные с данными Lunar Prospector. А вот коллиматор принес сюрприз. Оказалось, что концентрация воды в грунте у лунных полюсов далеко не всегда соответствует низинам и донной части кратеров. LEND сумел выявить высокое содержание водорода на приполярных возвышенностях и, наоборот, практически полное его отсутствие в некоторых глубоких кратерах. Правда, все эти колебания от «мало» к «много» не превышали одного процента по массе воды в грунте.
Дополнительной интриги добавил лазерный высотомер LOLA на спутнике LRO. На дне одного из самых глубоких кратеров южного полюса Луны обнаружилась поверхность с очень высокой отражающей способностью. Все выглядит так, будто до 22 процентов донной части кратера покрыто водяным льдом.
Таком образом, за 25 лет исследований догадки о наличии воды на лунных полюсах из смелой гипотезы превратились в многократно подтвержденный факт. Однако пока все еще остается много вопросов. Мы не знаем, каково происхождение лунной воды, каковы объемы ее запасов и в какой форме она сохраняется в таком негостеприимном космическом теле.
Ответить на эти вопросы могли бы спускаемые аппараты, способные исследовать поверхность Луны непосредственно. К сожалению, пока их запуски откладываются. Российский спускаемый аппарат «Луна-25» не полетит раньше 2021 года, а запуск индийского «Чандраяна-2» сдвигается на 2019-й. Позже к Луне должен будет отправиться следующий российский спускаемый аппарат «Луна-27», оборудованный буровой установкой, которая попытается добыть грунт с глубины одного-двух метров и проанализировать содержащиеся в нем летучие соединения.
Поиски лунной воды важны с точки зрения перспектив будущей обитаемой лунной станции, которая могла бы использовать местную воду для бытовых и технических нужд, в том числе для выработки ракетного топлива.
Виталий Егоров