3.2. GRAIL: как NASA бомбило Луну

Два лунных зонда-близнеца Ebb (GRAIL-A) и Flow (GRAIL-B), вошедшие в программу GRAIL, стартовали 10 сентября 2011 года. Всю работу зондам удалось выполнить практически за год, что достаточно быстро для межпланетных космических миссий. Главной задачей двух аппаратов размером со стиральную машину было подробное изучение гравитационного поля Луны.

Благодаря их работе ученые смогли практически заглянуть Луне под кору.

Удалось уточнить и толщину самой коры. Выяснилось, что ранее ее толщину переоценивали. По данным сейсмометрической съемки, проведенной экипажами «Аполлонов», толщина коры выходила около 40–50 километров. GRAIL-А и GRAIL-В же определили, что она не превышает 30–40 километров.

Ebb (GRAIL-A) и Flow (GRAIL-B)

В толще коры были выявлены структуры, которые не проявляются на поверхности и заметны только в виде линейных гравитационных аномалий. Этими аномалиями оказались дайки – трещины в нижней части коры, в которые проникло мантийное вещество и застыло в виде длинных «шрамов».

Когда работа спутников была сделана, а топливо подошло к концу, NASA приняло решение прекратить миссию, обрушив спутники на безымянную гору у Северного полюса Луны. Гора была выбрана из-за того, что летящим на очень низкой орбите спутникам нужно было препятствие с крутым углом. Если бы их просто уронили на ровную поверхность, то они поскакали бы как «блинчики», разбрасывая детали по всей округе. Поэтому NASA решило: если мусорить, то компактно. В момент падения аппараты миссии GRAIL стали самыми северными рукотворными объектами на Луне. Ученые, которые отправляли зонды в последний путь, позаботилось о том, чтобы спутники не повредили предыдущие человеческие аппараты на Луне, которые уже являются достоянием истории.

GRAIL – не первые объекты, целенаправленно обрушенные на Луну. Во времена Apollo разгонные ступени ракет и пустые лунные модули падали на поверхность Луны для создания сейсмических волн, которые регистрировались оставленными сейсмометрами.

В 2009 году была проведена операция LCROSS: разгонную ступень Centaur, доставившую спутник LRO на лунную орбиту, направили в приполярный лунный кратер, чтобы понять, есть ли там вода. Следом пустили аппарат, который анализировал вспышку от падения ступени и тоже падал.

Сила взрыва и объем выброшенного вещества тогда оказались почти в 6 раз слабее предсказанного, поэтому с Земли следов падения аппаратов практически не увидели. Результаты LCROSS получились противоречивыми: спектрометр летящего следом аппарата зарегистрировал во взрыве водород и кислород. Казалось бы удача, но разгонная ступень перед стартом заправлялась этими же газами – кислородом и водородом, поэтому невозможно было определить происхождение элементов, которые увидели спектрометры.

Размеры GRAIL были намного меньше, чем LCROSS, поэтому их взрывы увидеть с Земли и не пытались, зато места падений сфотографировал спутник LRO.

Вторая «бомба», упавшая на Луну – это ударный зонд индийского спутника Chandrayaan-1, последствия падения которого также не были видны с Земли – за результатами взрыва следил только сам индийский аппарат.

3.3. LADEE: на охоту за лунной пылью

В среде уфологов до сих пор ходят легенды о стеклянных башнях и замках, которые увидели астронавты на Луне. Люди, побывавшие на Луне, действительно оставили зарисовки свечения и лучей на горизонте, которые они наблюдали с теневой стороны. Автоматические посадочные модули 60-х годов программы Surveyor точно также передавали ночные снимки, где было видно свечение горизонта. Нынешние знания о нашем естественном спутнике отрицают возможность присутствия сказочных строений, но что тогда наблюдали астронавты и автоматические станции? Если бы Луна была простым камнем в космосе, то никаких световых эффектов на горизонте бы не было, но наблюдаемое свечение указывало на рассеяние солнечного света, которое могла дать только атмосфера и висящая в ней пыль. Для исследования окололунной среды в 2013 году стартовала новая миссия NASA: LADEE Lunar Atmosphere Dust Environment Explorer.

Само название аппарата способно вызвать удивление. Какая атмосфера? Там же вакуум!

Как выяснилось, Луна – довольно массивное тело, поэтому ее гравитация способна поддерживать некое подобие атмосферы. Хотя, более правильное название – экзосфера.

LADEE

Если плотность атмосферы Марса составляет примерно 1 % от земной атмосферы, то плотность атмосферы Луны – примерно 0,001 %. На Земле в одном кубическом сантиметре содержится примерно 100 миллиардов молекул газов воздуха, на Луне – от 100 тысяч до 10 миллионов молекул газов. Таким образом, плотность атмосферы у поверхности Луны составляет примерную плотность земной атмосферы на высоте Международной космической станции. И, хотя формально такие условия можно назвать вакуумом, околоземную станцию приходится регулярно поднимать, так как она тормозит об атмосферу и постепенно снижается.

Существенный вклад в состав лунной экзосферы вносит пыль. Несмотря на отсутствие видимых метеорологических явлений, на Луне концентрация пыли над поверхностью может меняться. То есть фактически можно говорить о пылевых бурях на Луне. Конечно, они не идут ни в какое сравнение с марсианскими или земными, но именно пыль вместе с экзосферными газами отвечает за эффект наблюдаемого свечения над поверхностью Луны в предрассветное время.

Причины, которые поднимают пыль на Луне, еще предстоит изучить, а пока рабочих гипотез две: метеоритные воздействия и электризация пыли под действием солнечного излучения.

Предположения ученых проверял аппарат LADEE в ходе своей 128-дневной миссии: с ноября 2013 года по апрель 2014-го. Решение о проведении таких исследований приняли еще в 2007 году. Главным принципом миссии была ее дешевизна: использование только тех приборов, которые не нужно разрабатывать не с нуля, а при помощи готовых чертежей. Бюджет миссии был намечен совсем скромный по меркам NASA – 80 миллионов долларов (по факту получилось в два раза больше).

Активная фаза строительства началась в 2012 году. Таким образом, NASA построило межпланетный аппарат меньше чем за два года.

Космический корабль разработан в NASA Ames Research Center по модульной схеме, которая позволяет собирать аппараты различного назначения подобно бусам. Внутри его корпуса располагался ракетный двигатель, баки с топливом и бортовые служебные системы: управления, ориентации, энергоснабжения, терморегуляции и т. п.

LADEE не был предназначен для посадки, но разрабатываемая для него модульная схема предполагает возможность создания и посадочных аппаратов. Такие исследовательские станции могут отправляться на Луну, Меркурий или ближайшие астероиды. Сегодня эта технология развивается частной компанией Moon Express, и NASA готово заказывать у нее доставку научного оборудования на Луну. LADEE стал первым экспериментальным модульным аппаратом, который проверил эффективность такой конструкции.

Научные и экспериментальные приборы были расположены на внешней стороне корпуса аппарата. Три из них позволили исследовать атмосферу и пыль Луны, а четвертое устройство – LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration – демонстратор технологии лазерной связи) – должно было приблизить мечту о широкополосной связи в Солнечной системе и HD видео с Марса, Юпитера или Сатурна.

Прибор UVS (Ultraviolet-Visible Spectrometer) – это небольшой телескоп, который наблюдал свечение атмосферного лимба во время пересечения спутником терминатора (границы освещенной Солнцем и теневой стороны поверхности). Ультрафиолетовый спектрометр определял, какие вещества присутствовали в атмосфере.

Состав лунной атмосферы изучал NMS (Neutral Mass Spectrometer). Это квадрупольный масс-спектрометр, способный определить массу молекул и атомов газов, находящихся в атмосфере нашего спутника. Конструкция NMS была позаимствована у станции Cassini, которая успешно изучала Сатурн, Титан и другие спутники в системе окольцованного гиганта.

Пыль была изучена тоже по массовым характеристикам, но прибором другой конструкции (LDEX). Прибор LDEX (Lunar Dust Experiment) – это детектор ударной ионизации. По конструкции он напоминает автомобильную фару, только работает наоборот: параболическая ловушка повернута вперед по ходу полета аппарата и ловит встречные пылинки. На высокой скорости полета при столкновении пылинки с ловушкой происходит микровзрыв, пылинка превращается в облако плазмы, и специальный датчик регистрирует ее интенсивность. Чем ярче вспышка, тем выше масса пылинки.

Эксперимент LLSD (Lunar Laser Communication Demonstration) продемонстрировал возможность передачи информации в космосе по лазерному лучу. Устройство лазерной связи, размещенное на LADEE, обеспечило скорость передачи данных до 38,5 Мбит/с на однометровый телескоп. Правда, передать данные по лучу с Земли не удалось. Для передачи научных данных в традиционном режиме LADEE был оборудован радиопередатчиком и антенной S-диапазона.

Научная программа LADEE проходила на разных высотах, – от 250 до 50 километров – чтобы определить разницу распределения пылевых частиц и молекул газов в зависимости от расстояния до поверхности.

После того, как основные научные эксперименты завершились, аппарат перешел к снижению, которое завершилось столкновением с поверхностью. Место удара сняли камерой высокого разрешения на спутнике Lunar Reconnaissance Orbiter, подобно аппаратам миссии GRAIL.

Главная научная работа была направлена на определение зависимости лунной «погоды» от влияния Солнца, поэтому особое внимание уделялось границе лунного дня и ночи. Ожидания оправдались, но совсем не так, как предполагали. Наибольшая концентрация пылевых частиц наблюдалась на утренней стороне Луны, однако это связано не с солнечным излучением. Утренняя сторона – это «ведущая» сторона Луны, которой она летит вперед вместе с Землей по своей орбите вокруг Солнца. Орбитальная скорость системы Земля-Луна – около 30 км/с, именно на такой скорости происходят столкновения лунной поверхности и пыли в межпланетном пространстве. Одна межпланетная пылинка выбивает тысячи лунных, которые поднимаются облаком над поверхностью.

Существенное увеличение пыли возникало и во время прохождения Луной метеорных потоков. Поток космической пыли Геминиды, происходящий из астероида Фаэтон, привел к увеличению почти в сто раз количества пылевых частиц над поверхностью Луны, но их число быстро сократилось после прохождения потока.

Во время своей миссии аппарат LADEE улавливал газы как поступающие от солнечного ветра, так и выделяющиеся из поверхности Луны. От Солнца приходят атомы водорода, гелия и неона. Из поверхности Луны выделяются атомы кислорода, аргона-40, натрия, калия, железа, титана, совсем немного алюминия. Выделения натрия и калия связаны с бомбардировкой метеорными частицами, причем над лунными морями их больше. Аргон-40 может указывать на геологические процессы, происходящие в недрах. Сумел LADEE засечь и пары воды, но их концентрации очень незначительные и встречаются редко.

Исследования LADEE имеют вполне конкретное практическое применение. В ходе пилотируемых полетов NASA, которые длились считанные дни, лунная пыль создавала весьма существенные проблемы для астронавтов. Существуют опасения, что частицы пыли, имеющие нанометровые размеры, способны представлять канцерогенную опасность для людей. Очевидно, негативное воздействие пыли на устройства и механизмы. Поэтому человечество и изучает эту проблему, чтобы быть готовым ко всем трудностям возвращения на Луну и ее возможной колонизации.

Выводы команды LADEE в отношении пылевых частиц на изучаемых высотах 50–250 километров: «в основном безвредна». Правда, зонд так и не смог дать объяснение интенсивному свечению лунного горизонта, которое наблюдали аппарат Surveyor и астронавты.