1.2. Как узнать состав других планет: спектроскопия

Практически всё, что мы знаем о химическом строении космоса, включая Землю и нас самих, мы знаем благодаря спектроскопии. Излучение, отражение и поглощение элементарных частиц переносчиков света – фотонов – базовое свойство наблюдаемой материи, благодаря которому мы можем изучать не только те образцы, что попали в наши руки, но и те, что находятся за миллионы километров и миллиарды световых лет.

Для нас является привычным делом то, что разные предметы окружающего мира имеют разные цвета. Многие, вероятно, замечали, что горение различных материалов может сопровождаться пламенем различного цвета: так лесной костер – оранжевый, газовая конфорка кухонной плиты горит голубым, а если в костер бросить пластиковый стаканчик или кусок пенопласта, то можно увидеть и зеленое пламя. Такие, казалось бы, простые вещи, позволяют изучать Вселенную.

Поверхность далекой планеты или любого предмета у нас на столе имеет цвет, зависящий от химического состава веществ, покрывающих или составляющих эту поверхность. То же касается горящего огня или горящей звезды, только здесь цвет зависит от того, какие химические элементы испускают фотоны света.

Разница в видимых цветах, которые воспринимают наши глаза, зависит от длины волны безмассовых фундаментальных элементарных частиц – фотонов, чей поток мы и воспринимаем как свет. Короткая волна дает синий цвет, длинная – красный. Когда свет содержит фотоны всех видимых длин волн, наши глаза видят белый цвет, а если его разделить на составляющие цвета, то мы увидим спектр света.

Естественный спектр солнечного света – радугу видел, наверное, каждый. Конечно, радуга – хороший пример, но не самый удобный способ изучения спектра Солнца. Для искусственного наблюдения спектра используют стеклянную призму и специальный прибор – спектрометр. В зависимости от химического состава источника света его спектр будет отличаться, и на определении этой разницы основан принцип спектрометрии.

Ученые составили полную картотеку спектров известных химических веществ и теперь им достаточно сравнить, например, спектр далекой звезды с имеющейся на Земле картотекой, чтобы узнать, какие вещества звезды испускают свет, добравшийся до нас. Если в состав этой звезды будет входить какой-либо неизвестный науке химический элемент – его также определят, поскольку он будет отличаться ото всех известных. Именно так в 1868 году на Солнце обнаружили гелий, который в то время еще не был известен на Земле.

Свет может добираться до наших глаз или до спектроскопа двумя способами: непосредственно от источника или отраженным.

Источники излучения света – это Солнце, звезды, открытый огонь, лампочка, раскаленный до высокой температуры предмет и т. п. Для источников света характерен спектр испускания – та самая радуга.

Отраженный свет мы видим, например, от Луны, от поверхности Земли, от камней и почти всех предметов, которые нас окружают. Для отраженного света определяют спектр поглощения, то есть сначала учитывается спектр падающего на поверхность света, например от Солнца, а затем спектрометр определяет, на каких длинах волн свет был поглощен поверхностью, а на каких отразился. Также спектр поглощения помогает изучать состав газов в атмосферах других планет. Спектр поглощения отраженного света будет содержать темные участки, которые возникли из-за рассеяния и поглощения фотонов. То же касается изучения атмосфер других планет, – проходя сквозь газовую оболочку, свет звезды рассеивается на элементах и химических соединениях, составляющих ее, что отражается в спектре и позволяет понять химический состав атмосферы.

Человеческий глаз способен реагировать на небольшую область спектра электромагнитных излучений. Если длина волны фотона будет короче, чем та, которая соответствует фиолетовому свету, то мы их уже не увидим, это будет ультрафиолетовый свет, если волну укорачивать еще, то начнется рентген, а потом – гамма-излучение – самая коротковолновая и самая высокоэнергичная форма света. Также в обратную сторону: если длина волны фотона будет длиннее красного света, то мы не увидим и их – это будет инфракрасный свет, за ним лежит микроволновое излучение, а потом уже радиоволны. Современные приборы расширяют возможности наших глаз и позволяют изучать космос в тех длинах волн, которые никогда ранее не были доступны астрономам. Для этих целей используются ультрафиолетовые и инфракрасные камеры, телескопы и спектрометры.

1.3. Как исследуют планеты с помощью света

Что нужно для детального исследования другой планеты, астероида или кометы?

Для начала – запустить поближе космический аппарат и оборудовать его приборами, чтобы они рассказали как можно больше о предмете изучения, исходя из ограничений на объем, массу и количества доступной энергии у этого зонда. Значительный объем информации об окружающем мире и Солнечной системе человек получает при помощи оптических средств: своих глаз, телескопов, спектрометров.

Вокруг Солнца вращается множество космических тел, которые очень сильно отличаются друг от друга. Газовые гиганты не имеют твердой поверхности, а каменные планеты имеют атмосферу разной плотности: от ничтожной до сверхплотной. Астероиды бывают каменные, а бывают железные, а кометы сильно меняют свою активность в зависимости от расстояния до Солнца.

Для изучения объектов с разными свойствами потребуются разные приборы. В то же время ученые уже накопили немалый опыт применения многих типов исследовательских методов, смогли понять, что дает максимум полезной информации при минимальной массе. Попробуем рассмотреть такой «джентльменский набор» роботизированного исследователя космоса.

Съемка в видимом диапазоне

Глаза продолжают быть нашим главным исследовательским прибором, поэтому на Земле астрономы вкладывают миллионы долларов в гигантские телескопы, а для космоса создаются специальные фотокамеры. Научную камеру стараются делать двойной, то есть запускать две камеры: широкоугольную (короткофокусную) и длиннофокусную. Широкоугольная позволяет охватывать взглядом значительные пространства, но все объекты в ее съемке – мелкие. Длиннофокусная – наоборот, является «дальнобойным орудием» и позволяет со значительного расстояния рассматривать небольшие участки местности с мелкими подробностями. Этот принцип сохраняется как в космосе, так и на поверхности планет. Например, у марсохода Curiosity две цветные камеры на «голове»-мачте: одна с широкоугольным объективом с фокусным расстоянием 34 мм, вторая – более длиннофокусная:100 мм.

Для орбитальных модулей соотношение между «длинным» и «широким» обычно намного существеннее. Вместо длиннофокусного объектива ставят полноценный зеркальный телескоп.

Самый удаленный от Земли большой телескоп сейчас работает на орбите Марса. Камера HiRise, установленная на спутнике Mars Reconnaissance Orbiter, оборудована оптикой с главным зеркалом диаметром 50 см. Камера снимает с высоты 250–300 километров в феноменальном разрешении – до 26 см. Разрешением оптики называют показатель наименьшего размера различимых деталей снимаемых объектов.

HiRise позволяет ученым изучать Марс и следить за перемещением марсоходов. На его снимках видны даже сами марсоходы и следы, которые они оставляют на пыльной поверхности планеты.

Помимо научных камер на космические аппараты часто ставят навигационные. Они позволяют лучше ориентироваться «на местности» операторам аппаратов и выбирать цели для научных камер. Навигационные или «инженерные» камеры охватывают еще более широкие углы обзора (даже по принципу «рыбий глаз» – самый широкоугольный объектив, который позволяет увидеть почти полную полусферу перед собой) и могут также создаваться спаренными, но уже для повышения надежности или для стереосъемки. Съемка в стерео имитирует взгляд двумя глазами с разных углов, который позволяет увидеть трехмерную форму.

Разница между научными и навигационными камерами заключается не только в широте угла обзора. Научные камеры оснащаются еще и сменными цветными фильтрами, позволяющими анализировать различные спектральные характеристики поверхности исследуемых объектов. Обычно фильтры располагаются в специальном колесе, которое позволяет менять их между объективом и фотоматрицей камеры.

По умолчанию научные камеры снимают в панхроматическом диапазоне – черно-белом режиме, в котором фотоматрица принимает весь видимый свет и даже немного невидимого – ближнего инфракрасного. Такая съемка позволяет получить самое высокое разрешение и увидеть мельчайшие детали, поэтому большинство снимков из космоса черно-белые.

На фотокамере со сменными фильтрами цветные изображения можно получить многократной съемкой с чередованием цветных фильтров и путем объединения этих снимков. Такие камеры называют мультиспектральными. Единичный кадр, сделанный через один цветной фильтр, тоже будет черно-белым, поэтому снимки требуется объединять по три. Причем вовсе не обязательно полученный цвет на изображении будет таким, каким его увидели бы наши глаза. Для человеческого зрения мир состоит из сочетаний красного, зеленого и синего цветов. И «настоящий» цвет изображения можно получить при помощи красного, зеленого и синего фильтров.

В обычных цифровых фотоаппаратах и смартфонах принцип получения цветных кадров точно такой же – через трехцветный фильтр. Разница между камерой NASA и камерой в телефоне в том, что на бытовых камерах разноцветными фильтрами прикрываются отдельные пиксели фотоматрицы – такая схема называется «фильтр Байера» – поэтому нам достаточно одного кадра, чтобы увидеть цветное фото. При съемке через «фильтр Байера» за сведение информации полученной через трехцветный фильтр в один цветной кадр отвечают автоматические алгоритмы обработки данных. Использование колеса фильтров позволяет расширять возможности камеры за счет регистрации света в цветовых диапазонах, которые не видят наши глаза, и обрабатывать каждый кадр вручную, не доверяя алгоритмам или используя разные алгоритмы. На марсоходе Curiosity установлен «фильтр Байера», хотя сохранено и отдельное колесо с фильтрами.

Камеры с «фильтром Байера» принято называть цветными, а с возможностью выбора цветового фильтра – мультиспектральными. Если фильтров несколько десятков, то прибор называют гиперспектрометром или гиперспектральной камерой.

Если кадры сделаны через три фильтра, но не через красный/зеленый/синий, а, например, синий, красный и ближний инфракрасный, то при сложении кадров цвет изображения получится «ложным», хотя физические принципы его получения вполне естественны. Просматривая цветные снимки на официальных сайтах космических агентств, стоит обращать внимание на подписи, где указано, какие именно цветные фильтры использованы на снимке. Иногда люди не читают пояснений под фото и не знакомы с процессом получения цветных снимков, поэтому в Интернете до сих пор можно найти «разоблачения» про скрываемый цвет Марса или Луны и про «художников NASA», которые «раскрашивают» снимки из космоса.

Инфракрасная съемка

Инфракрасный свет наши глаза не видят, а кожа воспринимает его как тепло, хотя ИК-диапазон по ширине не меньше диапазона видимого света. Сокрытую от глаз информацию позволяют добыть инфракрасные камеры. Даже самые обыкновенные фотоматрицы могут увидеть ближний инфракрасный свет (в качестве эксперимента можно попробовать снять огонек телевизионного пульта на смартфон). Для регистрации средней области инфракрасного диапазона на космическую технику ставят отдельные камеры с другим типом датчиков. А дальний инфракрасный диапазон электромагнитного излучения требует охлаждения датчиков до глубокого минуса.

За счет более высокой проникающей способности инфракрасного света приборам удается заглядывать глубже как в дальний космос, сквозь газопылевые туманности, так и в грунт планет и прочих твердых тел.

Так при помощи зонда Venus Express, летавшего вокруг Венеры в 2005–2015 гг, ученые наблюдали за движением полярных тайфунов на средних высотах в атмосфере Венеры. В видимом свете они скрыты от глаз более высокими облаками. Зонд New Horizons зарегистрировал тепловое излучение от вулканов спутника Юпитера Ио. Съемка как в фильме «Хищник» применялась на марсоходах Spirit и Opportunity.

Взгляд орбитальной станции Mars Express на полюса Марса показал разницу распределения углекислотного и водяного льда по поверхности ледяных шапок. В инфракрасном свете водяной лед выглядел голубым, а углекислотный – розовым, хотя нашим глазам оба типа льда кажутся белыми.

Для получения максимума информации инфракрасные камеры оснащают большим набором фильтров, либо полноценным спектрометром, который позволяет раскладывать на спектр весь отраженный от поверхности свет. Например, у New Horizons имеется инфракрасный фотодатчик размером всего 0,065 мегапикселей, зато они разделены на 256 спектральных линий. Каждая линия пропускает излучение только в своем узком диапазоне, и датчик работает в режиме сканера, то есть камерой с ним «проводят» по изучаемому объекту.

Как уже упоминалось, инфракрасный свет – это тепло, поэтому съемка в этом диапазоне открывает еще одну возможность исследования твердых космических тел. Если наблюдать за поверхностью длительное время в процессе нагрева от солнечных лучей в дневное время и остывания в ночное, то можно увидеть, что какие-то элементы поверхности нагреваются и остывают быстро, а какие-то – долго. Эти наблюдения называются исследованием тепловой инерции. Они позволяют определять физические характеристики грунта: рыхлый, как правило, легко набирает и легко отдает тепло, а плотный – долго нагревается и долго держит тепло. Также долго нагреваются и долго остывают грунты с высоким содержанием воды, а водяной лед, наоборот – препятствует нагреву.

Интересное наблюдение было сделано советским зондом «Фобос-2». Снимая Марс в тепловом режиме, он заметил длинную полосу, которая протянулась по планете. В 90-е годы в прессе высказывались мистические домыслы об инопланетном самолете, оставившем конденсационный (такие белые полосы в небе от земных самолетов иногда ошибочно называют «инверсионными») след в атмосфере Марса, но реальность оказалась интереснее, хоть и прозаичнее. Тепловая камера «Фобоса-2» смогла зафиксировать полосу остывшего грунта, протянувшуюся за проходящей тенью спутника Марса – Фобоса.

Бывают и ошибки. Например, исследуя кратер Гейла со спутника Mars Odyssey, ученые определили местность с высокой тепловой инерцией неподалеку от севшего марсохода Curiosity. Там ожидали найти плотную скальную породу, а нашли глинистые породы с относительно высоким содержанием воды – до 6 %. Получилось, что причиной высокой тепловой инерции была вода, а не камень.

Ультрафиолетовая съемка

С помощью ультрафиолета изучают газовую составляющую Солнечной системы, да и всей Вселенной вообще. Ультрафиолетовый спектрометр стоит на телескопе Hubble (самый большой космический телескоп, названный в честь астронома Эдвина Хаббла), с его помощью удавалось получить представление о распределении воды в атмосфере Юпитера и обнаружить выбросы из подледного океана его спутника – Европы.

В ультрафиолете изучались почти все атмосферы планет, даже те, которых практически нет. Мощный ультрафиолетовый спектрометр зонда MAVEN позволил увидеть окружающие Марс водород и кислород на значительном удалении от поверхности. С его помощью даже сейчас можно наблюдать, как продолжается улетучивание газов из атмосферы Марса, и чем легче газ, тем интенсивнее этот процесс.

Водород и кислород в атмосфере Марса получаются путем фотохимической диссоциации (разделения) молекул воды на составляющие под действием солнечного излучения, а вода на Марсе испаряется из грунта. В результате MAVEN позволил ответить на вопрос «почему сейчас Марс сухой, хотя когда-то там были океан, озера и реки?»

Зонд Mariner-10, пролетая мимо Венеры на пути к Меркурию, в ультрафиолете смог выявить подробности венерианских облаков, увидеть V-образную структуру турбулентных потоков и определить скорость ветров.

Существует и более сложный способ исследования атмосферы – на просвет. Для этого исследуемый объект размещается между источником света и спектрометром космического аппарата. Так можно определить состав атмосферы, оценив разницу спектра источника света до и после перекрытия атмосферой. Таким образом, удается определить не только содержание газов в атмосфере, но и примерный состав и размер частиц пыли, если она тоже поглощает или рассеивает часть света.

Стоит отметить, что по части спектроскопических межпланетных исследований Россия занимает не последнее место. При участии Института космических исследований РАН создавался европейский инфракрасный спектрометр OMEGA для станции Mars Express; на том же аппарате стоит результат совместной работы российских, бельгийских и французских ученых – инфракрасный и ультрафиолетовый спектрометр SPICAM; совместно с итальянцами специалисты ИКИ РАН разработали прибор PFS. Схожий набор приборов был установлен на аппарате Venus Express, который закончил свою миссию в конце 2014 года. Сегодня у Марса работает тяжелый зонд ExoMars Trace Gas Orbiter Европейского космического агентства, на котором находятся несколько российских спектрометров для изучения атмосферы и поверхности «Красной планеты».

Свет обеспечивает нас значительным объемом информации о Солнечной системе – нужно только уметь смотреть и видеть, но есть и другие средства, связанные уже с ядерной и радиофизикой.