– Мы можем составить топографические карты Луны с большей частотой горизонталей, чем на туристических картах национальных парков США, – рассказывает Вондрак. – Мы имеем представление, как Луна выглядит, в мельчайших деталях, и, по сути, мы теперь знаем о форме, контурах и топографии Луны больше, чем о любом другом объекте в Солнечной системе. Это касается и Земли, потому что огромная часть земной поверхности скрыта океаном, а океанское дно нанесено на карту далеко не так подробно, как поверхность Луны.
Картографический прибор под названием Lunar Orbiter Laser Altimeter[92] располагает в десять раз большей линейной точностью измерений и в триста раз большей частотой работы, чем любой из ранее действовавших на орбите Луны лазерных альтиметров. Кроме того, что этот инструмент позволяет составлять детальные топографические карты с отметками высот, благодаря интересной особенности его функционирования становится возможным обнаружить дополнительные свидетельства оборудования экспедиций Apollo, оставленного на Луне.
Данные лазерного альтиметра LOLA позволили составить карты различных типов для видимого полушария Луны: топографическую (слева), а также новую карту уклонов на поверхности (в середине) и расчлененности рельефа (справа). Источник: NASA / проект LRO / научная группа инструмента LOLA
Эксперимент с лазерными уголковыми отражателями проводился астронавтами на местах посадок Apollo 11, 14 и 15. Эти отражатели являются комплектами зеркал, сложенными в форме внутреннего угла куба, которые обладают свойством отражать любой падающий луч света в том направлении, откуда он пришел. Похожими устройствами оснащались два доставленных Советским Союзом на Луну лунохода, которые совершили посадки в 1970 и 1973 годах. На протяжении большей части рабочей программы LRO альтиметр LOLA приходилось выключать, когда станция пролетала над местами деятельности астронавтов Apollo и «Луноходов», потому что отразившийся лазерный луч мог бы повредить сам прибор LOLA.
Однако в 2017 году высота полета LRO будет увеличена, и существует план применить LOLA в местах расположения «Луноходов» и оборудования, оставшегося от экспедиций Apollo, чтобы дополнить собранную топографическую информацию измерениями в этих областях. Петро говорит, что увеличение высоты полета LRO совместно с уменьшением мощности лазера LOLA уменьшает и шанс повреждения инструмента при работе.
Лазерный уголковый отражатель, установленный астронавтами экспедиции Apollo 11. Источник: Институт селенологии и планетологии
С тех самых лет, когда на Луне появились уголковые отражатели, обсерватория Макдональд в Техасе занимается их зондированием при помощи лазера и измерением времени движения луча туда и обратно. Это дает точные данные о высоте лунной орбиты и скорости, с которой Луна удаляется от Земли (в данный момент 3,8 см в год), а также о вариациях во вращении самой Луны. Это единственное экспериментальное оборудование, оставленное экспедициями Apollo, которое работает до сих пор и помогает получать научные данные.
Советский автоматический посадочный аппарат «Луна-17» и сейчас находится в той же самой точке моря Дождей, куда он доставил «Луноход-1» в ноябре 1970 года, как свидетельствует полученное камерой LROC фото. Источник: NASA / Центр космических полетов имени Годдарда / Университет штата Аризона
При том что некоторые люди сомневаются, состоялись ли полеты Apollo на самом деле, ученым проекта LRO приходится учитывать практические последствия того, что на Луне действительно побывали астронавты и автоматические лунные зонды.
Новая Луна
Так вышло, что 2009 год оказался поворотным для углубления нашего понимания Луны. Это случилось потому, что в этот год реализовались несколько различных космических лунных проектов. До этого момента считалось, что Луна – исключительно сухое небесное тело; в основном такой вывод был сделан в результате изучения образцов, доставленных астронавтами Apollo. Несмотря на то что во многих из них содержались следы влаги или небольшие количества гидратированных минералов, как правило, их присутствие относили на счет загрязнений земного происхождения, которые могли возникнуть, потому что большинство контейнеров с пробами лунного грунта не закрывались герметично. Ученые посчитали, что следы воды, которые они нашли в лунном грунте, могли появиться из-за того, что содержавший влагу земной воздух просочился внутрь контейнеров. С тех пор бытовало представление, что, за исключением возможных залежей льда у лунных полюсов, воды на нашем естественном спутнике нет.
На этом снимке южного полюса Луны обозначено расположение некоторых кратеров, в том числе кратера Кабео, где космический аппарат LCROSS упал на поверхность Луны. Источник: NASA / студия научной визуализации Центра космических полетов имени Годдарда
Научный инструмент Moon Mineralogy Mapper – M3[93] на борту индийской межпланетной станции «Чандраян– 1»[94] сорок лет спустя обнаружил, что вода рассеяна на Луне повсеместно и водяные молекулы или гидроксильные группы[95] существуют в связанном с веществом поверхности виде в малых концентрациях. Эта информация была подтверждена данными с двух других пролетавших мимо Луны аппаратов: временно примененном в рамках этой научной программы аппарате Deep Impact[96] во время его полета к комете и межпланетной станцией «Кассини», когда она совершала пролет мимо Земли в 1999 году. Роджер Кларк из научной группы прибора M3 проанализировал архивные данные наблюдений Луны с борта «Кассини» и нашел, что они согласуются с наличием небольшого количества воды, присутствующей на Луне повсеместно; ее вероятным источником является солнечный ветер.
– После этого образцы, привезенные участниками экспедиций Apollo, повторно проанализировали и подтвердили наличие следов воды в грунте, – говорит Ноа Петро, который тоже принимал участие в работе коллектива M3. – И получилось, что Lunar Reconnaissance Orbiter мы запустили в такой поворотный момент, когда наше знание о наличии на Луне летучих веществ действительно помогло дать этим исследованиям толчок. К тому же был еще и LCROSS.
Вода и многое другое
Задачей полета LCROSS, или Lunar Crater Observing and Sensing Satellite[97], космического аппарата-попутчика для LRO, было выяснить, есть ли лед в области, которая называется «зоной вечной тени» в темных кратерах на полюсах Луны. Солнечные лучи очень редко или вообще никогда не освещают дно таких кратеров, потому что их высокие стены отбрасывают длинные тени, закрывая внутреннюю область кратера от постоянно низко висящего над горизонтом солнца.
LCROSS отправился в космос на той же самой ракете, что и LRO, и долетел до Луны вместе с разгонным блоком Centaur[98] (который представлял собой верхнюю ступень ракеты Altas V). Согласно плану эксперимента, израсходованная ракетная ступень должна была упасть в кратер Кабео около южного полюса Луны, в зону вечной тени. Четыре минуты спустя «пасущий» ее аппарат LCROSS должен был последовать за ней, изучая поднятое от удара облако пыли при помощи девяти научных инструментов, чтобы определить, какие материалы окажутся выброшены со дна этого темного неизученного кратера. LRO, космический телескоп «Хаббл» и наземные телескопы тоже по плану должны были попытаться заснять эти события.
Этот эксперимент испортил настроение группе гражданских активистов, которые обеспокоились тем, что LCROSS повредит Луне, а также тем обстоятельством, что NASA собирается «разбомбить» нашу небесную соседку. Даже при том, что от удара, предположительно, должны были взлететь вверх тонны лунного реголита, научный руководитель проекта LCROSS Тони Колаприт дал такую оценку: воздействие аппарата на Луну окажется в миллион раз более слабым, чем ресница пассажира, упавшая на пол внутри летящего «Боинга‐747», воздействует на его полет.
– То, что мы собираемся сделать, повторяет природный процесс, который происходит на Луне четыре раза в месяц независимо от того, находимся мы там или нет, – говорит Колаприт. – Разница лишь в том, что LCROSS метит в специально выбранную цель, кратер Кабео, а законы физики убеждают нас в том, что помеха движению Луны будет предельно ничтожной.
9 октября 2009 года эксперимент состоялся, как было запланировано, и, несмотря на то что облако выброса не удалось увидеть с Земли, LCROSS пролетел сквозь него, собирая и оперативно передавая данные на Землю до того, как сам рухнул на Луну, подняв вторую тучу пыли.
Так художник изобразил автоматическую станцию LCROSS в процессе изучения выброса лунного материала, поднимающегося от удара ракетной ступени. Источник: NASA / Научно-исследовательский центр имени Эймса
Ракетный блок Centaur массой 2400 кг создал своим ударом кратер размером примерно 25 на 30 м, и, по оценке научной группы LCROSS, от 4 до 6 тонн материала было подброшено вверх со дна вечно темного кратера в освещенное Солнцем пространство над ним и попало в поле зрения приборов LCROSS.
Ученые сумели определить, что в выбросе содержалось значительное количество воды, причем в разных формах.
– Мы зарегистрировали наличие водяного пара, – рассказывает Колаприт в Научно-исследовательском центре имени Эймса, – и, что гораздо более важно, мы зарегистрировали водяной лед. Наличие льда важно потому, что оно свидетельствует об определенном уровне концентрации воды.
Сколько льда может там быть? Как говорит Колаприт, лед на дне кратера лежит «глыбами». Объединенные данные спектрометрических наблюдений на борту аппарата-«пастуха» LCROSS в ближнем инфракрасном диапазоне, ультрафиолете и видимых лучах дают понять, что суммарная масса выброшенного из кратера водяного льда и пара составила 155 кг. Исходя из этого, Колаприт и его коллеги определили, что от 5 до 8 % массы материала дна кратера Кабео приходится на чистый водяной лед.