Обратная сторона Луны приоткрыла свои ямы

Японский зонд «Кагуя» выяснил особенности притяжения обратной стороны Луны

Сила притяжения на обратной стороне Луны ведёт себя совсем не так, как на видимой. Благодаря двум спутникам японского зонда «Кагуя» учёные впервые смогли подробно исследовать гравитационные аномалии этого полушария Луны и выяснить, что недра двух полушарий также не похожи друг на друга, как и поверхности.

Команда японского космического аппарата «Кагуя», отправившегося в прошлом сентябре к естественному спутнику Земли, представила первые результаты его работы. На 40-м ежегодном съезде отделения наук о планетах Американского астрономического общества, проходящем в эти дни в американском городе Итака (штат Нью-Йорк), Сё Сасаки из японской Национальной астрономической обсерватории, рассказал о предварительных итогах исследований гравитационного поля спутника.

Колонизатор Луны

14 сентября 2007 года японский зонд «Кагуя» отправился к Луне, чтобы искать там лд, полезные ископаемые и место, где могли бы построить свои базы будущие колонисты. Японцы, заплатившие за спутник $479 млн, смогут полюбоваться видом восходов и заходов Земли на Луне в высоком разрешении.

В пятницу утром к Луне отправилась японская исследовательская миссия «Кагуя». Вместе с крупнейшим со времен американской программы Apollo космическим аппаратом для исследования Луны – селенологическим и инженерным зондом SELENE (SELenological and ENgeniring Explorer) – к небесному телу отправились два «микроспутника», которые помогут изучить и его скрытую от нас сторону.

Аппарат весом около 2,5 тонн стартовал с крошечного острова Танэгасима на юге Японии в 9.31 по местному времени (5.31 мск). Через 45 минут он отделился от ракеты-носителя H-2A и, совершив два с половиной витка вокруг Земли, отправился в пятидневное путешествие к Луне. В следующую среду «Кагуя», названная именем японской лунной феи Кагуя-хамэ, выйдет на орбиту вокруг естественного спутника нашей планеты и запустит трхмесячную программу тестирования навигационного и научного оборудования. Собственно научные исследования начнутся лишь к Новому году.

На борту «Кагуи» находятся 15 исследовательских инструментов, с помощью которых можно изучать почти весь спектр электромагнитного излучения. Спектрометры рентгеновского и гамма-диапазонов будут определять химический состав пород лунной поверхности. Рентгеновский аппарат займтся относительно лгкими элементами – от кремния и алюминия до железа и марганца, – оставляющими характерный след в отраженном от поверхности Луны рентгеновском излучении Солнца. Гамма-спектрометр, в свою очередь, будет искать кванты, образующиеся при взаимных превращениях тяжлых элементов – урана, тория и им подобных, сопровождающихся также выбросом лгких ядер (например, водорода и гелия).

Аппараты, изучающие видимый и инфракрасный диапазоны, исследуют минеральный состав лунного грунта. Учные надеются, что им удастся найти участки поверхности, в которых содержится водный лд. Именно лд должен стать основным источником воды для будущих колонистов, отправку которых на Луну США и Россия планируют осуществить через 10–15 лет.

Ионосфера Земли и распределение плазмы в е ближайших окрестностях будут исследоваться как в видимом, так и в ультрафиолетовом диапазонах – от мягкого до предельно жесткого. Кроме того, на SELENE установлена и HDTV-камера, и стоит она там в буквальном смысле для красоты.

Камера будет передавать фотографии и видеоролики восходящей и заходящей Земли, чтобы японские налогоплательщики, заплатившие за аппарат около $479 миллионов, смогли полюбоваться родной планетой.

Предаваться созерцанию они смогут каждые сто минут – примерно за столько времени аппарат будет обращаться вокруг Луны по своей полярной орбите высотой 100 км.

Одна из самых интересных особенностей «Кагуи» – наличие в е составе двух микроспутников VRAD и RSAT весом около 50 кг каждый. Они отделятся от SELENE уже на окололунной орбите и будут двигаться по своим независимым траекториям. Постоянная радиосвязь всех трх спутников между собой и с наземными станциями слежения позволит подробно исследовать структуру гравитационного поля Луны, а также построить трехмерную модель распределения заряженных частиц и е слабого магнитного поля.

Эти исследования будут очень важны при выборе места будущих лунных баз, которые должны быть по возможности защищены от жесткого излучения Солнца.

Наличие дополнительных спутников позволит продолжать эти исследования и в тот момент, когда основной аппарат с Земли не виден, и учные впервые смогут определить особенности гравитационного поля обратной стороны Луны. По этим данным можно будет не только протестировать теории образования и эволюции естественного спутника нашей планеты, но и определить области залегания полезных ископаемых. Кроме того, аппарат сможет заглянуть и под поверхность небесного тела, посылая мощные импульсы радиоизлучения, способные проникнуть сквозь лунную кору. Одновременно будет идти трехмерное картирование поверхности – изображения со стереофотокамер будут дополнены данными с лазерного высотомера.

«Кагуя» – крупнейший в истории Японии космический проект. Последний раз японцы запускали аппарат к Луне 17 лет назад, при этом основным его назначением было лишь тестирование необходимых для успешной лунной миссии технологий. Свои лунные программы сейчас по мере возможностей активизируют и традиционные космические державы – Россия и США. Так, NASA планирует уже в следующем году запустить «Лунный орбитальный разведчик» – Lunar Reconnaissance Orbiter. Однако на пятки им наступают и космические новички: китайский аппарат «Чанъэ-1» должен быть запущен до конца года, а индийский «Чандраяан-1», если вс пойдт по плану, полетит в следующем году.

Зонд «Кагуя», названный по итогам открытого национального конкурса в честь сказочной лунной принцессы «Кагуя-химэ», был запущен 14 сентября прошлого года со стартового комплекса Ёсинобу японского космодрома Танэгасима и стал первым в истории японской космической программы аппаратом для исследований Луны (одну болванку к нашему спутнику японцы уже запускали, но никаких исследований этот тестовый аппарат не проводил, и задачи его были чисто технологическими). Жители Страны восходящего солнца «прыгнули через ступеньку», ещё 5 лет назад запустив исследовательский аппарат «Хаябуса» к астероиду Итокава (25143), но лишь четыре года спустя занялись изучением самого близкого внеземного объекта.

Зато к Луне аппарат отправился во всеоружии. Конечно, 15 научных инструментов на борту исследовательского зонда — не рекорд, хотя само оборудование образца 2007 года, куда совершеннее того, что было установлено на прежних лунных аппаратах.

Принципиальное (и очень полезное, как стало ясно из рассказа Сасаки) отличие — это наличие двух дополнительных аппаратов-спутников японского спутника Луны — крошечных аппаратов «Окина» (ранее известного как RSAT) и «Оуна» (VRAD).

Благодаря этим «микроспутникам» японским планетологам и их коллегам по всему миру удалось с небывалой точностью изучить гравитационное поле обратной, не видимой с Земли стороны Луны.

Правда, содержание лунных недр этой обратной стороны стало ещё загадочнее.

К сожалению, установить на Луне буровые установки и напрямую проверить, из чего состоит наш спутник глубоко под слоем лунной пыли, пока не представляется технически возможным, и такие исследования вряд ли будут реализованы до возвращения на наш спутник астронавтов или прибытия космонавтов либо тайконавтов. Ожидается это не раньше чем лет через 15 — если, конечно, Россию и США (а планы и тех и других кажутся не слишком реалистичными) не обгонят китайцы.

Пока у учёных есть лишь несколько способов исследования лунных недр. Во-первых, немного лунного вещества есть в земных лабораториях; часть его попала сюда благодаря советской программе «Луна», часть была привезена американскими астронавтами, а часть прилетела с лунными метеоритами. Во-вторых, можно поступать как земные геологи, которые часто изучают распространение звуковых и сейсмических волн по телу нашего естественного спутника в ходе «лунотрясений», будь они естественными или искусственными. Однако во всех этих случаях необходимо присутствие какого-то оборудования на самой Луне.

В-третьих, можно изучать вещество, которое выбрасывается на поверхность при образовании ударных кратеров; к сожалению, глубоко при этом не залезешь. Наконец, можно измерять магнитное и гравитационное поля Луны с помощью космических аппаратов, а затем пытаться строить модели — какое распределение и какого вещества под лунной поверхностью может дать наблюдаемую картину линий магнитной индукции и силы тяжести.

Однако если показания магнетометров можно как-то записать и позже передать на Землю, как это сделала почти полвека назад станция «Луна-3» с изображениями невидимой части ночного светила, то

гравитационное поле учёные измеряют по едва заметным изменениям скорости искусственных спутников Луны, и, когда сама Луна закрывает спутник, никакие измерения невозможны.

Эффект Доплера

изменение частоты колебаний или длины волн, воспринимаемых наблюдателем (примником колебаний), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Эффект Доплера имеет место при любом волновом процессе распространения энергии. Основная его причина - изменение числа волн, укладывающихся на пути распространения между источником и примником. При сохранении длины волн, испускаемых источником, это приводит к изменению числа волн, достигающих примника в каждую секунду, то есть к изменению частоты принимаемых колебаний.

Для упругих волн (звуковых, сейсмических) и в общем случае для электромагнитных волн (света, радиоволн) изменение частоты зависит от скорости и направления движения источника и наблюдателя относительно среды, в которой распространяется волна. Особый случай составляет распространение электромагнитных волн в свободном пространстве (вакууме). В этом случае изменение частоты определяется только скоростью и направлением движения источника и наблюдателя относительно друг друга, что является следствием принципа относительности Эйнштейна.

Эффект Доплера для звуковых волн может наблюдаться непосредственно. Он проявляется в повышении тона звука, когда источник звука и наблюдатель сближаются (за 1 сек наблюдатель воспринимает большее число волн), и соответственно в понижении тона звука, когда они удаляются.

Здесь и пригодились «микроспутники». Аппараты весом всего по 45 килограммов отделились от «Кагуи» уже на лунной орбите и движутся по независимым траекториям. Первый из них, «Окина», работает как ретранслятор и чем-то напоминает притаившегося в кустах сотрудника ГИБДД с радаром: частота посылаемого «Кагуя» радиосигнала благодаря эффекту Доплера меняется в зависимости от скорости, что позволяет легко измерить её. «Оуна» позволяет очень точно измерить положение всех аппаратов.

Благодаря микроспутникам можно очень точно измерить скорость «Кагуя» во время её движения по всей своей орбите без перерывов.

Это позволило впервые изучить поле притяжения обратной стороны Луны во всех его подробностях.

Как оказалось, отличия между двумя сторонами, которые очень легко заметить, взглянув на лунный глобус, простираются глубоко под поверхность естественного спутника. Это говорит о кардинально различных сценариях эволюции двух полушарий, уверен Сё Сасаки.

По не вполне понятным пока причинам гравитационное поле обратной стороны Луны гораздо лучше «откликается» на особенности её топографии. Везде, где на поверхности остался крупный след от произошедшего когда-то давно столкновения с планетой, такой же «след» можно обнаружить и в гравитационном поле Луны. Это значит, что литосфера, верхняя часть сейчас уже полностью застывшей мантии нашего спутника, активно реагировала на внешние удары. На видимой же стороне такой чёткой связи заметить не удаётся, и гравитационные аномалии часто фиксируют наличие загадочных «концентраций массы», которые снаружи ничто не выдаёт. Вероятно, поверхностные следы ударов на обращённой к нам стороне сейчас полностью утрачены.

Если представить гравитационное поле Луны как поверхность, то на «нашей» стороне больше кочек, а на невидимом полушарии — ям.

Учёные полагают, что в ту эпоху, когда на обратной стороне Луны сформировалась большая часть древних ударных структур, её литосфера была толще, чем на лицевой. Отсюда Сасаки заключает, что обратная сторона Луны остывала быстрее, чем обращённое к нам полушарие. Когда крупные ударные структуры образовывались с «нашей» стороны, мантия здесь была ещё горячей и после удара отпружинивала наружу, поднимая плотное вещество ближе к поверхности. На обратной же стороне литосфера просто прогибалась под ударом и так и застывала, притапливая вместе с собой и поверхность равного гравитационного потенциала.

Что означают эти результаты, учёным лишь предстоит понять — пока обработаны данные за 10 месяцев работы «Кагуя» и её спутников на лунной орбите. Миссия продолжается, и гравитационные измерения не единственная (да, возможно, и не главная) её цель. Учёным уже удалось значительно уточнить топографическую карту Луны, изучить магнитные поля, химический состав лунного грунта и многие другие параметры. Эта работа продолжается, и результаты её должны быть представлены в ближайшее время.

А тем временем у самой Луны появляется всё больше «обитателей». Вслед за отечественными, американскими, европейскими и японским космическими аппаратами 24 октября прошлого года к естественному спутнику Земли улетел и «китаец» «Чанъэ-1». Не пройдёт и года от исторического для Китая старта, и 22 октября — через неделю с небольшим — к Луне отправится «Чандраяна» — первый индийский зонд для исследования нашей космической спутницы.