Loading Posts...

Вещество других звезд на Луне

Наш естественный спутник хранит немало тайн, разгадка которых позволит лучше понять эволюцию Солнечной системы. Самыми многообещающими областями Луны в этом плане являются ее полярные регионы.

В исследованиях Луны был период, когда к ней существенно ослабело внимание и значительной части научного сообщества, и широкой публики, интересующейся успехами науки и космонавтики. После завершения программы Apollo1 и полетов автоматических межпланетных станций серии «Луна» в исследованиях нашего естественного спутника наступила долгая пауза. В ответ на призывы ученых продолжить лунную программу доводилось слышать от весьма высокопоставленных руководителей, что после того, как по Луне походили люди, там уже нечего делать. Последним лунным зондом того периода стала АМС «Луна-24», запущенная с космодрома Байконур 9 августа 1976 г. с помощью четырехступенчатой ракеты-носителя «Протон-К». После посадки станции в юго-восточной части Моря Кризисов было проведено бурение грунта на глубину около 2 м. Полученную колонку вещества загрузили в возвращаемый аппарат, который 22 августа 1976 г. доставил на Землю 170 г новых образцов лунных пород. В марте 2010 г. посадочная ступень АМС, оставшаяся на Луне и послужившая стартовым комплексом для возвращаемого аппарата, была обнаружена на снимках с высоким разрешением, переданных американским спутником LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter).

Пауза в исследованиях Луны средствами космонавтики длилась около 18 лет. Лишь в январе 1994 г. к ней направился космический аппарат Clementine. Перед этим в 1990 и 1992 гг. спектрозональную съемку лунной поверхности осуществила АМС Galileo, которая, двигаясь по сложной траектории к Юпитеру, дважды возвращалась к Земле, фотографируя во время сближений также и Луну. Но эти исследования носили в основном технологический характер.

Итак, почти через месяц после старта, выполнив ряд орбитальных маневров и испытаний оборудования, аппарат Clementine, наконец, вышел на окололунную орбиту. За два последующих месяца он передал на Землю около 1,8 млн изображений Луны. В январе 1998 г. к ней направился еще один американский зонд Lunar Prospector,6 чтобы получить подробные карты химического состава лунной поверхности и уточнить параметры магнитного поля нашего спутника. Для проведения этих исследований зонд находился на орбите высотой около 100 км.

В последующие годы на окололунные орбиты были отправлены аппараты, созданные учеными и конструкторами США, Европы, Японии, Индии и Китая. Наконец, пришло время и очередной мягкой посадки: через 37 лет после советской АМС, 14 декабря 2013 г., на лунную поверхность опустился китайский зонд «Чанъ’э-3», доставивший туда первый китайский луноход.8

Вода на Луне

На протяжении всей истории исследования Луны бесспорным казалось утверждение, что на лунной поверхности не существует даже самых незначительных запасов летучих субстанций (затвердевших газообразных веществ) и, в частности, воды, которая там теоретически может существовать в виде отложений водяного льда. В самом деле, малая сила тяжести — в 6 раз меньше, чем на Земле — и высокие дневные температуры, достигающие на лунном экваторе +130°C, неизбежно должны приводить к испарению и рассеиванию подобных веществ в окружающем космосе. Следствием таких условий является практически полное отсутствие у нашего спутника атмосферы. Летучие вещества, которые могут появляться в окололунной среде в результате дегазации недр или при падениях кометных ядер (водород, кислород, молекулы воды и даже такие тяжелые элементы, как аргон), под воздействием солнечного ветра и излучения «сдуваются» в межпланетное пространство.

Но теоретические оценки, выполненные задолго до непосредственных наблюдений с борта космических аппаратов, показывали, что отложения замерзших летучих веществ, включая водяной лед, на лунной поверхности возможны в местах постоянно низких температур. Следует учесть, что к плоскости эклиптики экватор Луны наклонен всего на 1,5°. Это означает, что в ее полярных районах солнечные лучи распространяются почти параллельно поверхности. Следовательно, даже в небольших впадинах вблизи полюсов существуют области, постоянно или в течение значительного времени находящиеся в тени. Отсутствие атмосферы приводит к тому, что освещенные и темные участки — даже расположенные по соседству — могут иметь сильно различающиеся температуры (поскольку отсутствует среда, обеспечивающая перенос тепла). Таким образом, в постоянно затененных местах приполярных кратеров возникают так называемые «холодные ловушки», где температура поверхности, согласно расчетам, проведенным в свое время в ГАИШ МГУ, не поднимается выше 100 K (-173°C) в течение длительных периодов времени — практически вечно. Попавшие в такую ловушку атомы даже самого летучего газа — водорода — теряют свою подвижность и конденсируются, образуя довольно значительные по массе отложения. Вот так и могли появиться залегающие под поверхностью лунные «полярные льды».

Измерения, проведенные впоследствии с борта LRO высокочувствительным радиометром Diviner, способным диагностировать участки с очень низкой температурой, подтвердили реальность подобных моделей: в отдельных затененных кратерах измеренная температура поверхности не превышала 50 K (-223°C).

Одним из самых важных результатов, полученных в процессе выполнения научной программы КА Clementine, стало обнаружение в южном полярном районе Луны признаков существования водяного льда. Аппарат искал его методом радиозондирования: с помощью бортового передатчика производилось облучение лунной поверхности, а отраженный сигнал принимали на Земле и по его спектру судили о веществе, от которого он отразился. Первое же зондирование показало, что интенсивность и поляризация радиоэха от выбранной области между южным полюсом и кратером Амундсен резко отличались от значений, характерных для обычного лунного грунта. По своим параметрам принятые сигналы имели характеристики, подобные тем, которые могли быть получены при исследовании Гренландии или ледяных галилеевых спутников Юпитера. Так появились первые, пока еще косвенные свидетельства существования значительных отложений замерзших летучих веществ в «холодных ловушках».

Читать:  Меркурий

Среди приборов следующего аппарата, направленного к Луне (им, как уже говорилось, стал Lunar Prospector), имелись гамма-спектрометр и нейтронный спектрометр, с помощью которых предполагалось проверить данные КА Clementine. Измеряя поток нейтронов, испускаемых лунным грунтом под действием космических лучей, можно оценить содержание водорода в реголите. Нейтронный спектрометр зарегистрировал уменьшение средней энергии медленных нейтронов в окрестностях постоянно затененных кратеров полярных областей Луны. Эти данные уже более надежно указывали на присутствие здесь значительной массы водорода — возможно, в составе водяного льда. Но разрешение спектрометра КА Lunar Prospector оставляло желать лучшего. Даже при работе на низкой орбите информация поступала от «пятна» на поверхности диаметром около 150 км.

Несколько лет назад в Институте космических исследований Российской академии наук был создан прибор LEND (Lunar Exploration Neutron Detector — Лунный исследовательский нейтронный детектор), предназначенный для обнаружения соединений водорода на лунной поверхности с разрешением около 5 км. Этот прибор участвовал в открытом конкурсном отборе аппаратуры для нового искусственного спутника Луны, конструируемого NASA. По своим техническим данным LEND обошел всех конкурентов и был в результате установлен на зонде LRO, запущенном в 2009 г. и работающем на окололунной орбите до сих пор. Большое внимание этот аппарат уделил кратеру Кабео (Cabeus) вблизи южного полюса Луны, значительная часть дна которого никогда не освещается Солнцем. Температуры реголита там не превышают 50-75 K. Был сделан вывод, что лунный грунт в этом районе может содержать не менее 4-5% водяного льда.

Для проверки этих предположений был запланирован эксперимент LCROSS (Lunar CRater Observation and Sensing Satellite). После вывода аппарата LRO на траекторию полета к Луне разгонный блок Centaur массой 2,5 тонны использовали в качестве «ударника» — его направили во внутреннюю часть кратера Кабео. Незадолго до падения от него отделился небольшой модуль с измерительными приборами (Shepherding Spacecraft — «сопровождающий аппарат»). Он двигался по той же траектории, что и разгонный блок, немного отставая от него.

При падении блока Centaur на лунную поверхность образовалась воронка диаметром примерно 30 м и глубиной около 5 м, а также облако выбросов, через которое и пролетел сопровождающий аппарат (он упал на поверхность через несколько минут после разгонного блока), передав на Землю данные о его химическом составе и прочих параметрах.9 Анализ полученной информации показал, что температура пара в выбросах составила 827°C, а доля водяного льда в реголите находится в диапазоне 2,7-8,5%. Таким образом, в выброшенных породах должно было содержаться около 140-170 кг воды в виде пара и ледяных частиц.

Однако другая группа исследователей, наблюдавшая за тем же событием при помощи инструмента Diviner, установленного на борту LRO, полагает, что часть пара «прошла мимо» анализаторов, поэтому общая масса «поднятой» воды должна составлять около 300 кг. Полученные результаты позволяют предположить, что внутри «холодной ловушки» кратера Кабео в слое реголита толщиной до 5 м может находиться 20-30 тыс. тонн ледяных отложений.

В первом приближении практически все «холодные ловушки» в южной полярной области Луны по своим наблюдаемым свойствам обладают высокой степенью однородности. Это обстоятельство позволяет распространить приведенные выше оценки на всю площадь «ловушек». В таком случае общие запасы ледяных отложений в южной полярной области Луны могут достигать от 100 до 200 тыс. тонн. Конечно, все эти оценки требуют уточнения в ходе дальнейших исследований, но, по-видимому, порядок величины не изменится. Очевидно, что после обнаружения таких значительных запасов воды (точнее, водяного льда) околополярные районы Луны стали рассматриваться как приоритетные области для проведения будущих лунных миссий и создания долговременных обитаемых баз.

Откуда на Луне вода?

Имеющиеся сведения о возникновении и эволюции Луны практически исключают наличие внутренних запасов воды, которые могли бы находиться в ее недрах. В самом деле, результаты сейсмического зондирования, хоть пока и немногочисленные, показывают многослойное строение лунных недр. На глубине нескольких десятков километров обнаружена граница коры и мантии. Отдельные данные позволяют ряду исследователей говорить о наличии верхней и нижней мантии. До сих пор ведутся споры о размерах и физико-химических характеристиках лунного ядра, но в его существовании уже никто не сомневается. Все эти данные говорят о том, что Луна, подобно Земле, на определенном этапе прошла стадию дифференциации, то есть разделения недр на упомянутые горизонты. Не вдаваясь в детали, следует также упомянуть, что подробное изучение образцов лунных пород, доставленных из различных районов, показало, что процесс дифференциации происходил в период, когда большая часть лунного шара имела высокую температуру, при которой все известные лунные минералы находились в расплавленном состоянии. Могла ли при таких условиях в недрах Луны сохраниться вода? Это очень маловероятно. Поэтому естественно предположить, что она, как и другие летучие соединения, привнесена туда извне.

Читать:  Новые названия на карте Цереры

Каков же был этот загадочный транспорт?

Когда при анализе образцов, доставленных на Землю в рамках проекта Apollo, в лунном грунте обнаружились признаки существования воды, этот результат был оставлен без внимания. Исследователи посчитали, что образцы просто загрязнились в земной среде. Но в ходе исследований грунта из почти двухметровой колонки, добытой АМС «Луна-24», следы воды обнаружились вновь. Конечно, это были весьма малые количества — менее 0,1% от общей массы образца. С одной стороны, такое ничтожно малое содержание объясняется тем, что образцы из коллекций, собранных экипажами экспедиций Apollo, и грунт, доставленный АМС «Луна-24», происходят из районов, близких к экватору, где дневные температуры весьма высоки и вода не может сохраниться в поверхностном слое. С другой стороны, процесс, ответственный за появление незначительных следов воды, уже известен. Все лунные минералы, из которых состоит реголит (основной компонент поверхностного слоя), находятся в окисленном состоянии, то есть содержат большое количество связанного кислорода. При поглощении частиц солнечного ветра, состоящего в основном из протонов (ядер атомов водорода), определенная часть оксидов восстанавливается. В результате этой химической реакции происходит соединение кислорода и водорода в знакомую нам формулу H2O. Конечно, весь процесс идет на молекулярном уровне и значительная часть вновь возникших летучих соединений рассеивается в космосе. Изучение образцов, добытых АМС «Луна-24», выявило любопытную подробность: содержание воды в них возрастало по мере увеличения глубины, с которой извлечено вещество. Уже известно, что лунный грунт имеет очень низкую теплопроводность и температурные колебания «не проникают» в реголит глубже, чем на 60 см. Поэтому под верхним «защитным» слоем грунта отдельные молекулы образовавшейся воды могли сохраниться даже в экваториальных районах.

Следует оговориться еще раз: описанные реакции проходят на молекулярном уровне и, конечно, благодаря им даже за миллиарды лет не могли образоваться сотни тысяч тонн воды, обнаруженные на лунных полюсах.

Удивительная химия

Но обратимся снова к результатам эксперимента LCROSS. Кроме воды, в облаке, выброшенном из приполярного кратера Кабео, были зарегистрированы весьма экзотические химические соединения, в отдельных случаях не имеющие никакого отношения к составу лунных минералов.

Результаты анализа спектров, полученных приборами LRO, показали, что в облаке содержалось примерно 570 кг угарного газа, 140 кг молекулярного водорода, 160 кг кальция, 120 кг ртути и 40 кг магния. Были обнаружены следы натрия, аммиака, гидроксильного радикала, углекислого газа и серебра.

Надо отметить, что серебро и золото регистрировались на Луне и ранее, но в весьма незначительных количествах. Вывод напрашивался один: все эти вещества, скорее всего, были занесены на наш спутник кометами, метеоритами или астероидами. Ведь даже если падение такого небесного тела происходит далеко от полярной области, под действием высоких температур его летучие компоненты испаряются и разносятся по всей Луне, образуя некую временную атмосферу. Основная ее часть рассеивается в окружающем космическом пространстве, однако существенная доля испарившегося кометного или астероидного вещества оседает в вечно холодных районах вблизи лунных полюсов.

Для примера рассмотрим случай падения на Луну кометного ядра, подобного ядру кометы Хейла-Боппа (C/1995O1 Hale-Bopp), посетившей внутренние области Солнечной системы в 1997 г. Его поперечник, по некоторым оценкам, может достигать 60±20 км.11 Нижний предел плотности ядра можно принять равным 0,1 г/см³, общую массу — примерно 500 млрд тонн, а скорость при ударе — 60 км/с.

Как показывают расчеты, падение такого тела приводит к образованию ударно-взрывного облака, в котором начальная температура вещества составит около 6300°C. Наиболее вероятная тепловая скорость атомов при этом достигнет 5,5 км/с. С учетом того, что вторая космическая скорость для Луны равна 2,4 км/с, это значит, что рассеиванию повергнется 90% всей массы импактора. Но оставшегося материала хватит, чтобы на каждый квадратный километр лунной поверхности осело около 50 тыс. тонн кометного вещества. Очевидно, что в последующем эти «осадки» сохранятся только в районах постоянно низких температур, т.е. в кратерах, расположенных вблизи полюсов.

Теперь остается ответить на вопрос, откуда кометы — главные источники лунного льда — прилетают в окрестности земной орбиты. Откуда появляются «хвостатые гостьи»?

Первые наблюдения кометы Хейла-Боппа были выполнены, когда она находилась за орбитой Сатурна. Признаком особого характера этого объекта стала его траектория, почти перпендикулярная к плоскости эклиптики (точнее, наклоненная к ней на 89,4°).12 Эта особенность указывала на то, что внутреннюю Солнечную систему посетила гостья с очень далеких ее окраин. Первоначально она двигалась по орбите с периодом обращения около 4200 лет, но после сближения с Юпитером этот параметр уменьшился до 2550 лет. Сама орбита представляет собой сильно вытянутый эллипс с эксцентриситетом 0,995. В афелии комета удаляется от Солнца более чем на 370 а.е., то есть в 12 с лишним раз дальше, чем Нептун — самая далекая из больших планет.

Читать:  У Земли два естественных спутника

Недавние наблюдения удаляющейся «небесной гостьи» подтверждают сделанные ранее выводы. Астрономы Европейской Южной обсерватории в Чили на 2,2-метровом телескопе получили снимки кометы Хейла-Боппа, когда она находилась на расстоянии 30,7 а.е. от Солнца. До сих пор ни одну «хвостатую звезду» на таком огромном расстоянии наблюдать не удавалось.

Итак, в настоящее время многие исследователи считают, что долгопериодические кометы с периодами в тысячи лет (наподобие кометы Хейла-Боппа) прилетают именно из Облака Оорта. Наблюдательных фактов еще недостаточно, однако на существование этого облака указывает множество косвенных данных. Предполагаемое расстояние до его внешних границ составляет примерно один световой год — 50-100 тыс. а.е. Тела, находящиеся на окраинах Солнечной системы, могут направляться в ее внутренние области под действием гравитационных возмущений со стороны других звезд, время от времени сближающихся с Солнцем.

А если заглянуть подальше?

Некоторые модели формирования Облака Оорта исходят из того, что населяющие его тела, по-видимому, имеют в совокупности значительно большую массу, чем та, которая могла бы остаться в процессе эволюции протопланетного диска после образования планет. 4,5 млрд лет назад, когда родилось наше светило, оно находилось в тесной группе своих собратьев — звезд, рожденных в том же газово-пылевом сгустке. В те времена, очевидно, происходили их частые сближения, гравитационные взаимодействия и обмен ледяными телами, находящимися на окраинах сфер притяжения. Логично предположить, что после таких обменов в Облаке Оорта осталось множество подобных тел, «похищенных» из «свиты» ближайших соседей.

Звезды обычно образуются в скоплениях, содержащих от десятков до тысяч светил. Проведенное астрономами моделирование показывает, что в столь «густонаселенных» областях пространства целостность таких периферийных образований, как околозвездные кометные облака, нарушается, и появляется большое количество свободных ледяных тел. Когда звезды покидают скопление, часть этих тел уносится вместе с ними и захватывается на орбиты, большие полуоси которых соответствуют размерам Облака Оорта.

Более того: результаты проведенного моделирования позволяют допустить, что значительная часть комет Облака Оорта — возможно, свыше 90% — образовалась в протопланетных дисках других звезд! Теперь уже достоверно известно, что многие звезды тоже имеют окружающие их облака пыли или ледяных тел, которые могут быть аналогичны, например, поясу Койпера в Солнечной системе. Таким образом, можно предположить, что часть вещества из другой звездной системы могла попасть на лунную поверхность в процессе падения ледяных тел, прилетевших из Облака Оорта.

Кто же даст окончательный ответ?

Закономерен вопрос: как часто долгопериодические кометы падают на Луну? К сожалению, период, в течение которого ведутся наблюдения появлений подобных объектов во внутренней Солнечной системе, слишком мал. В истории сохранились достоверные свидетельства лишь о нескольких таких событиях. Наиболее впечатляющие из них нашли отражение не только в астрономических документах, но и в произведениях искусства. Однако обратимся к самой Луне. Уникальность земного спутника, как известно, состоит и в том, что детали его поверхности служат своеобразной летописью истории Солнечной системы за последние четыре с лишним миллиардов лет. Задача заключается в том, чтобы правильно «прочитать» эти многочисленные свидетельства.

Несомненно, в нашей планетной системе присутствует материя не только материнского газово-пылевого облака, в котором родилось Солнце и его «звездные братья». Кстати, «единоутробных» родственников нашего светила, за несколько миллиардов лет «разбежавшихся» по галактическим просторам, сейчас активно ищут астрономы в рамках нескольких программ. Уже обнаружен как минимум один «подозреваемый», в настоящее время проходящий «генетические тесты».15 Однако в Солнечной системе должно присутствовать и «инородное» вещество, исходно не принадлежавшее «родительской» туманности. Дело в том, что Солнце вместе с сонмом планет за время своего существования совершило уже как минимум 18 оборотов вокруг центра Галактики. За это время оно несколько раз проходило сквозь спиральные рукава — области, изобилующие регионами звездообразования, где плотность звездного населения значительно выше, а значит, более вероятны тесные контакты с его представителями, родившимися в других областях Галактики, близкие вспышки сверхновых…

Эта «инозвездная» материя, вероятно, имеет вид пылевых частиц и даже кометных ядер, немалое ее количество выпало на планеты (в том числе и на Землю) и было «переработано» под воздействием высоких температур, высоких давлений, в ходе химических реакций. В каком-то количестве она содержится даже в человеческих телах. Ученые надеются, что изучение лунных полярных «консерваций» с использованием новейших методов позволит расшифровать хронику событий из истории жизни Солнца и его планетной системы. А пока наша главная задача — вернуться на Луну.

Подписывайтесь на наши каналы в Яндекс Дзен и Телеграмм
Подписаться
Уведомление о
guest
0 комментариев
Inline Feedbacks
View all comments
Loading Posts...