Атмосфера Луны. У многих из нас это словосочетание способно вызвать лишь улыбку. Еще со школьной скамьи мы знаем, что наш спутник — это каменистое тело, лишенное какой бы то ни было газовой оболочки. Однако это не совсем так. Анализ новых данных автоматической станции LADEE, проведенный специалистами NASA, заставляет по-новому взглянуть на окололунное пространство.
Впервые о проблеме лунной атмосферы ученые задумались во время полетов космических аппаратов программы «Аполлон». Астронавты неоднократно отмечали необычные эффекты рассеяния света около границы дневной и ночной стороны Луны. По словам очевидцев, это походило на «свечение горизонта» или «потоки света» над поверхностью. Эффект наблюдался именно с неосвещенной стороны во время восходов и заходов Солнца, причем как с поверхности, так и на лунной орбите.
Рассеяние света на Луне оказалось для специалистов полной неожиданностью. До этого момента ученые считали, что наш спутник просто не обладает никакой атмосферой.
На самом деле Луна все-таки достаточно массивное тело, чтобы удержать некое подобие атмосферы. Правильнее было бы называть ее экзосферой. Так называют часть атмосферы Земли и планет, которая характеризуется предельно низкой концентрацией атомов. При такой плотности вещества частицы, находясь в экзосфере, практически не сталкиваются между собой. Так что если частица приобретает бóльшую скорость, чем вторая космическая для данного тела, она покидает область притяжения без каких-либо столкновений. Такие оболочки растягиваются от планет на сотни тысяч километров. У Земли экзосфера — это самая внешняя область атмосферы. А вот у Луны ничего кроме экзосферы нет вообще. Лунная атмосфера состоит в основном из ионизированных атомов водорода, гелия, неона и аргона. Правда, в 1991 году исследовательским коллективом из Бостонского университета был обнаружен натриевый хвост, простирающийся на 15–20 лунных диаметров в противоположном Солнцу направлении.
Выходит, что газовая оболочка у Луны все-таки имеется, но ее недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемые эффекты рассеяния света. Плотность атмосферы у поверхности Луны примерно такая же, как у земной атмосферы на высоте Международной космической станции. И хотя из-за торможения об атмосферу станцию приходится регулярно «поднимать», такую плотность можно считать практически вакуумом.
Оказалось, что свечение лунных восходов и закатов объясняется пылью, которая поднимается на высоту в несколько километров и рассеивает свет. Изначально существовало две версии, как лунная пыль может подняться так высоко. Согласно первой, всему виной метеориты, постоянно бомбардирующие лунную поверхность. По другой версии, пыль поднимается под действием ультрафиолетового и гамма-излучения Солнца. Под воздействием солнечных лучей электроны выбивают из атомов и молекул пылинки, в результате чего она приобретает положительный заряд и выбрасывается на большую высоту.
Эффект может усиливаться, когда Луна проходит магнитный хвост Земли.
Для изучения свойств лунной экзосферы в 2013 году и была запущена автоматическая станция LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer — «Исследователь лунной атмосферы и пылевого окружения»). При строительстве космического аппарата главным приоритетом была дешевизна. Фактически на LADEE устанавливались только те научные приборы, которые не нужно разрабатывать с нуля, что очень нетипично для космических миссий NASA. Интересна и сама конструкция космического аппарата. Инженеры, занимавшиеся проектированием LADEE, разработали систему из отдельных углеволоконных модулей, которые можно комбинировать как конструктор. Такая технология в дальнейшем позволит быстро и дешево создавать автоматические станции для целого ряда космических миссий, собирая различные блоки в одну конструкцию. Модульная схема даже позволяет создавать посадочные аппараты. Изначально бюджет миссии должен был составить весьма скромные $80 млн. Но по факту он вырос до $280 млн.
Несмотря на то что на LADEE не устанавливались принципиально новые приборы, вся используемая аппаратура была модернизирована и улучшена. Научные приборы располагались на внешней стороне корпуса. Спектрометр ультрафиолетового и видимого диапазонов (UVS) занимался изучением свойств лунной пыли и экзосферы, наблюдая рассеяние света в моменты восходов и заходов Солнца за край лунного диска. Нейтральный масс-спектрометр (NMS) изучал состав лунной атмосферы.
Кстати, аналог NMS установлен на аппарате Cassini, который до сих пор продолжает изучение Сатурна. Датчик пыли LDEX занимался вычислением масс пылинок.
Но помимо изучения экзосферы Луны перед аппаратом ставилась еще одна важная цель — проверка возможности космической лазерной связи. Дело в том, что современная радиосвязь имеет серьезные ограничения по скорости передачи данных. Например, скорость передачи по радиоканалу с Марса на Землю не превышает 2 Мбит/с. По лазерному лучу информация могла бы передаваться гораздо быстрее. В ходе эксперимента LLSD (Lunar Laser Communication Demonstration) с космического аппарата на Землю удалось передать информацию со скоростью в рекордные 622 Мбит/с, более чем в шесть раз быстрее, чем самые скоростные космические радиоканалы.
Миссия LADEE закончилась 17 апреля 2014 года, когда автоматический аппарат на скорости 5800 км/ч запланированно столкнулся с лунной поверхностью. К тому моменту запас топлива был почти исчерпан, и оставлять неуправляемую станцию на лунной орбите было бы рискованно для будущих миссий. Но обработка данных продолжается и по сей день. Изучив данные LADEE, специалисты NASA опубликовали в журнале Nature Geoscience работу, заставляющую по-новому взглянуть на пространство около безвоздушных тел.
Ученых интересовала зависимость пылевой оболочки вокруг Луны от внешних воздействий. В работе они сравнили результаты спектральных наблюдений экзосферных частичек в разные моменты времени. Первый — это 4 января 2014 года, когда наблюдался пик метеорного потока Квадрантиды и на лунную поверхность постоянно падали небольшие метеориты. Второй — это 10 апреля того же года, когда никаких активных метеорных потоков не было. Исследователи обнаружили серьезные различия в показаниях научных приборов за эти даты.
Оказалось, что число рассеивающих свет частичек значительно увеличилось именно в момент лунной бомбардировки. Путем сравнения модельных и экспериментальных данных ученые оценили размер рассеивающих пылинок, который оказался неожиданно маленьким, не превышающим 20–30 нм. Ученые также определили количество рассеивающих частиц по лучу зрения на краю лунного диска.
Небольшой размер пылинок исследователи объясняют тем фактом, что при ударе метеорита о поверхность мелкие частицы приобретают большие скорости и поднимаются на большую высоту, и дольше находятся в полете.
Авторы работы обращают внимание, что это первое подтверждение переменности лунной экзосферы, которая содержит огромное количество пылинок размером менее 20 нм. Также они обращают внимание, что подобные пылевые оболочки могут иметь многие тела Солнечной системы, лишенные атмосферы, что обязательно нужно учитывать при планировании будущих миссий к Луне и астероидам.