Спутник Земли: краткая история исследований Луны

Галилео Галилей, первым направивший в небеса зрительную трубу, составил и первый отчет о телескопических наблюдениях Луны, который представил в опубликованной в 1610 году книге Siderius Nuncius. 32-кратное увеличение его инструмента позволило установить, что поверхность нашего спутника покрыта горами и испещрена углублениями. Галилей воздержался от их наименования, однако в середине XVII века это начали делать другие астрономы. Именно в те времена возникла традиция называть лунные кратеры в честь знаменитых ученых, оставляя за морями право на возвышенно-поэтические титулы. Ее заложили астрономы Джованни Баттиста Риччиоли и Франческо Гримальди, чья лунная карта была опубликована в 1651 году. Именно тогда появились кратеры Тихо, Гиппарха, Коперника и Архимеда, море Дождей и море Спокойствия.

По мере прогресса телескопостроения совершенствовалась и лунная картография. Наивысшим достижением на этом пути стала публикация «Фотографического лунного атласа», который в 1960-х годах подготовили специалисты Аризонского университета и американских ВВС.

В XIX веке на помощь науке о Луне пришла физика. Около двухсот лет назад Франсуа Араго заметил, что лунному свету присуща слабая линейная поляризация, которую он приписал влиянию лунной атмосферы. Сейчас мы знаем, что воздуха там нет совсем, так что это объяснение в корне неверно. Львиная доля лунной поверхности покрыта мелко измельченными породами, разбитыми бесчисленными ударами небольших метеоритов. Этот толстый слой, называемый реголитом, поляризует отраженный солнечный свет.

Наличие реголита объясняет еще одну уникальную особенность лунного блеска. Фотометрические измерения показывают, что яркость полной Луны превышает яркость половинной вовсе не вдвое, а в одиннадцать раз! Отсюда следует, что отражательная способность лунного вещества резко возрастает, если угол падения солнечных лучей приближается к вертикали. Причина этого эффекта заключается в том, что частицы реголита испещрены множеством трещин, в которых теряется значительная часть падающего света. Это поглощение минимально, если наблюдатель смотрит со стороны, откуда падает луч, что как раз и происходит в полнолуние. При радиолокационном сканировании Луны этот эффект отсутствует, поскольку длина волны радарного луча много больше величины трещин.

Раз уж об этом зашла речь, следует упомянуть еще одно любопытное явление. Реголит поглощает больше 90% солнечного света, так что в действительности он черный, как уголь. Однако он сильно рассеивает все, что не удалось поглотить, из-за чего мы можем любоваться серебристым сиянием Луны, прославленным легионами поэтов.

В XVIII столетии астрономы достигли немалых успехов в описании движения Луны, но понимание специфики лунного рельефа и прежде всего наличия множества кратеров пришло гораздо позже. Долгое время фантазия исследователей не шла дальше примитивных земных аналогий — в основном в духе теории вулканизма. Это естественно, поскольку лунные кратеры в поле зрения телескопа похожи на вулканические кальдеры. Лишь в 1824 году немецкий астроном Франц фон Груйтуйзен догадался, что они имеют метеоритное происхождение. Гипотеза была блестящей, но объяснение оказалось неверным. Груйтуйзен утверждал, что метеориты проминают лунный грунт и уходят в глубину. Поскольку большинство этих тел падает отнюдь не вертикально, львиная доля кратеров вроде бы обязана иметь эллиптические очертания, а на самом деле они круглые.

Метеоритная модель долгое время существовала в качестве смелой идеи без экспериментального обоснования, и ее разделяли лишь немногие ученые (следует отметить, что в 1921 году ее решительно поддержал немецкий геолог Альфред Вегенер, отец теории дрейфа континентов). Она была окончательно доказана лишь в середине прошлого века. Преобладание круглых кратеров нашло объяснение, когда ученые поняли, что метеориты при ударе о поверхность Луны взрываются и пробивают лунные породы ударной волной. Эксперименты показали, что в таких условиях кратеры остаются круглыми, если угол падения не превышает 80−85˚.

В будущем году исполнится 50 лет с тех пор, как Луну стали исследовать с помощью космических аппаратов. Пионером в этом деле был Советский Союз. Первых три лунника запустили с Байконура в сентябре, октябре и декабре 1958 года, однако они были утеряны из-за аварий ракет-носителей. В 1959 году ушли в космос еще четыре автоматические станции, запрограммированные на жесткую посадку (фактически падение) на Луну. Одна из них опять-таки погибла при взрыве ракеты, но остальным повезло больше. «Луна-1» проскочила мимо цели, но зато превратилась в первый в мире искусственный спутник Солнца. «Луна-2» врезалась в лунный реголит 13 сентября, а «Луна-3» месяцем спустя отправила на Землю снимки обратной стороны Луны.

Первым американским аппаратом, сфотографировавшим перед падением на Луну ее поверхность, был зонд Ranger-7, выполнивший эту задачу 31 июля 1964 года. А первая мягкая посадка на поверхность нашего спутника была осуществлена опять-таки советской станцией «Луна-9» 3 февраля 1966 года (на три месяца раньше, чем это сделал американский Surveyor-1). Наконец, в апреле 1966 года «Луна-10» стала первым лунным спутником и до прекращения связи успела накрутить 460 витков.

Наивысшими достижениями в истории лунной космонавтики стали экспедиции американских кораблей Apollo-11, Apollo-12 (1969 год) и Apollo-14, 15, 16 и 17 (1971−1972), в результате которых на Землю было доставлено около 400 кг породы, взятой с разных участков видимой стороны Луны. СССР в 1970—1976 годах послал к Луне и на Луну еще десять станций. Одна из них погибла при запуске, и еще три не смогли осуществить свои программы. «Луны» с номерами 16, 20 и 24 возвратились на Землю с образцами минералов, «Луна-17» и «Луна-21» доставили по назначению два самоходных аппарата-лунохода, «Луна-22» провела серию исследований на окололунной орбите.

В общей сложности в 1958—1976 годах СССР и США осуществили 58 лунных миссий, удачных и неудачных. А потом лунная программа погрузилась в долгую спячку. Через много лет ее прервала Япония, в январе 1990 года выведя на околоземную орбиту 197-кг станцию Hiten (в переводе с японского «Летающий ангел»), которая запустила к Луне небольшой аппарат Hagoromo. Возможно, он достиг цели, но из-за поломки радиопередатчика не смог об этом сообщить. Тогда в центре управления решили отправить к Луне саму станцию, причем по очень хитрому многомесячному маршруту, так называемому низкоэнергетическому трансферу, разработанному американским специалистом по небесной механике Эдвардом Белбрано (для разгона по стандартному пути не хватало топлива). Hiten сошел с круговой орбиты вокруг Земли 24 апреля 1991 года и в начале октября превратился в спутник Луны. Особых научных результатов эта миссия не принесла, ибо на борту станции был лишь счетчик космических частиц, который не зарегистрировал ничего интересного. По команде с Земли 10 апреля 1993 года «Летающий ангел» врезался в Луну.

США возобновили лунные полеты спустя 22 года после завершения программы Apollo. 25 января 1994 года к Луне с авиабазы Ванденберг отправился 227-кг зонд Clementine с лазерным альтиметром, детектором заряженных частиц и пятью видеокамерами, работающими в разных диапазонах ИК-, видимого и УФ-света. 20 февраля он вышел на окололунную орбиту, сделал 330 витков и отправил на Землю 2,5 млн оцифрованных снимков. 3 мая зонд свели с орбиты для рандеву с астероидом 1620 Географос, но маневр не удался, и он ушел навеки кружиться вокруг Солнца.

Этот американский лунник провел детальное картирование всей поверхности Луны и (что стало крупной сенсацией) собрал данные, которые указывали на наличие льдов в глубоких кратерах вблизи южного полюса. Через четыре года его преемник Lunar Prospector с помощью нейтронного спектрометра вроде бы заметил ледяные залежи вблизи обоих полюсов. Однако эти результаты допускают различные интерпретации, посему вопрос о существовании лунного льда до сих пор остается открытым.

Три последние лунные миссии осуществили уже в нашем веке. 27 сентября 2003 года Европейское космическое агентство отправило к Луне экспериментальный корабль SMART-1 с плазменным маршевым двигателем, работающим на ксеноне. Как и Hiten, он двигался по низкоэнергетической трансферной траектории и в конце ноября 2004 года вышел на сильно вытянутую полярную окололунную орбиту. Оттуда он разглядел немало интересного, в частности обнаружил, что вблизи полюсов повышена концентрация весьма редкого на Луне водорода и что некоторые полярные зоны почти постоянно освещены Солнцем, чего никто не ожидал. 3 сентября 2006 года SMART-1 совершил запрограммированное самоубийство тем же самым способом, что и японский коллега.

А последние два зонда и сейчас работают на благо науки. 14 сентября 2007 года с японского космодрома на острове Танегашима стартовал почти двухтонный корабль Kaguya. Помимо видеокамеры высокого разрешения и 14 приборов он нес 53-кг лунный мини-спутник Ouna и 12 октября отстрелил его с окололунной орбиты. Во время работы над этой статьей оба аппарата функционировали штатно (лунного льда Kaguya пока не нашел). И наконец, 24 октября китайская ракета «Великий поход-3А» стартовала с 2350-кг орбитальной станцией Chang’e 1, которая сейчас тоже крутится вокруг Луны. Данными, полученными с ее помощью, китайские астрономы ни с кем пока не делятся. В этом году в путь должны уйти и новые лунники. Индия планирует отправить на полярную окололунную орбиту автоматическую станцию Chandrayaan-1, несущую с десяток приборов и небольшой зонд-импактор. NASA рассчитывает запустить еще два аппарата, Lunar Reconnaissance Orbiter и Lunar CRater Observation and Sensing Satellite.