Есть ли вода в лунных морях? Этот вопрос не одно десятилетие волновал ученых. Эволюция взглядов на лунную воду прошла от морей и лунных обитателей в XIX веке к полной безводности в 1960-е годы. Только в последние десятилетия наука начинает получать данные, способные помочь с ответом.
Совместно с научно-популярным порталом Nplus1.ru рассказываем о непростых поисках лунной воды.
Долгое время Луну изучали только методом прямого наблюдения с Земли. Первые оптимистичные ожидания и низкокачественные телескопы оставили «моря», «заливы», и «болота» на лунных картах. Улучшение же оптики показало Луну сухим безжизненным телом.
Космическая эра открывала новые перспективы изучения естественного спутника Земли. Луне повезло оказаться относительно близко к Земле. Она стала ареной мирного противостояния двух человеческих сверхдержав. «Лунная гонка» между СССР и США не только продвинула космические технологии, но и обеспечила прорыв в исследованиях Луны.
Правда вопросы о воде остались. В доставленном американскими астронавтами лунном грунте обнаружилось содержание до 1% воды, но ученые NASA не были готовы принять даже такой факт, противоречащий тогдашним представлениям о Луне. Американцы опасались, что влага могла попасть в образцы за время их нахождения в космическом корабле при возвращении на Землю. Добытый советский лунный грунт также показал незначительное содержание воды — около 0,1%, и эти результаты были опубликованы в 1978 году, но в те годы мировая наука не отнеслась к ним с должным вниманием. В то время считалось, что в процессе своего формирования Луна проходила этап высокого нагрева, активного вулканизма и вся вода должна была улетучиться миллиарды лет назад.
Проведенные в программе Apollo сейсмические эксперименты подтверждали гипотезы сухой Луны. Удары использованных ракетных ступеней и космических кораблей о поверхность земной соседки приводили к «звону как колокол» в недрах, который регистрировали размещенные сейсмометры. Сейсмические волны не утихали десятки минут, подтверждая модели полностью сухой Луны — вода придает пластичность недрам, из-за чего в них быстро гаснут сейсмические волны.
Новый этап поисков лунной воды начался в 90-е годы. Малый космический аппарат Clementine, запущенный к Луне американскими учеными и военными в 1994 году, провел радарный эксперимент для поиска водяного льда у лунных полюсов. Суть эксперимента состояла в облучении теневых участков полюсов радиоволнами от бортового радиокомплекса Clementine, и приеме отраженных волн 70-метровой антенной системы Дальней космической связи NASA на Земле. Изучение интенсивности и поляризации отраженных радиоволн позволили утверждать об открытии залежей льда у южного полюса в объеме около 1 кубического километра. Однако попытки воспроизведения результатов эксперимента при помощи 300-метровой антенны радиотелескопа Arecibo результатов не дали.
В дальнейшем именно полюса привлекали внимание ученых в поисках лунной воды, поэтому надо пояснить почему ищут именно там. Луна вращается вокруг Земли по орбите с наклоном около 5 градусов к плоскости эклиптики, в которой вращаются все околосолнечные планеты. Наклона вращения Луны вокруг своей оси практически нет, поэтому в некоторые глубокие полярные кратеры солнце не заглядывает никогда и там сохраняется температура поверхности -230°С. Освещенная же лунная поверхность в полуденное время может нагреваться до 150°С, то есть сохранение льда практически невозможно. Вода на поверхности Луны могла оказаться в результате извержения вулканов в составе вулканических газов или в результате падения комет или астероидов, содержащих воду. Во всех случаях испаренная вода и другие летучие газы формировали временную лунную атмосферу, которая конденсировалась в холодных полярных кратерах. Что не успело сконденсироваться улетучивалось в космос, и так могло повторяться неоднократно, т.е. залежи лунной воды и других летучих соединений могли бы рассказать о древней истории нашего спутника.
Другой механизм появления воды в приповерхностном слое Луны может быть связан с постоянной бомбардировкой частицами солнечного ветра. В основной своей массе, солнечный ветер — это поток протонов, которые и есть ядра атомов водорода. Встречаясь с атомами кислорода в грунте Луны, протоны могут формировать молекулы гидроксильной группы (OH) и воды (H2O).
Зонд NASA Lunar Prospector отправился на окололунную орбиту в 1998 году для подтверждения результатов Clementine и нес на борту новый прибор, способный обнаруживать воду — нейтронный спектрометр. Принцип его работы состоит в регистрации и измерении энергии и скорости вылетающих с лунной поверхности элементарных частиц — нейтронов. Нейтроны выбиваются тяжелыми заряженными космическими частицами из лунного грунта с глубины до 1 метра. Нейтроны замедляются атомами водорода, поэтому их скорость вылета с поверхности Луны зависит от концентрации водорода в грунте. Водород в свободной форме в грунте безатмосферного тела не задержится поэтому он должен находиться в химической связи в том числе в виде воды.
Нейтронный спектрометр Lunar Prospector определил повышение концентрации водорода в поверхности Луны у полюсов, по его данным массовая доля воды в приполярных регионах может достигать 3-4%.
Радиофизики NASA решили взять лунный реванш после неудачи с Clementine при помощи индийского зонда Chandrayaan 1, на который разместили небольшой зондирующий радар Mini-SAR. В отличие от Clementine ему не требовались наземные станции чтобы принимать отраженный сигнал, поэтому разрешающая способность и детализация изображений была намного выше. Прибор генерировал радиоволну круговой поляризации и оценивал характеристики отраженного от грунта сигнала. Mini-SAR «просвечивал» не глубже 40 см, позволяя определять разницу в структуре поверхности, и содержании в ней льда. Чтобы «взглянуть» глубже ученые уделяли внимание прежде всего молодым метеоритным кратерам, который обнажали залегающие ниже слои. Оказалось, что на радиоизображениях ярче выделяются грубые обломки породы, и столь же яркими должны быть залежи льда, смешанные с грунтом. Отличить по данным Mini-SAR кратеры с каменистой поверхностью и содержащие водяной лед не представлялось возможным, но хорошую подсказку дала разбросанная из кратера порода. Там где окрестности кратера такие же яркие, как и его внутренняя часть, там, скорее всего просто каменные обломки. Там же, где яркость внутреннего пространства полярного кратера сильно контрастирует с окружающей поверхностью, там более вероятно залегание водяного льда.
На борту Chandrayaan 1 размещался и оптический прибор — мультиспектральный сканер Moon Mineralogy Mapper. Его задачей было картографирование распространения различных минералов на поверхности Луны. С его помощью обнаружили и распространение минералов богатых гидроксилом и водой, причем, в отличие от других данных — не только в приполярных областях. Недавно опубликовали новые результаты Moon Mineralogy Mapper, которые обобщили все собранные им данные и оказалось, что в радиусе 20° от полюса обнаруживаются множество отложений водяного льда, массовая доля которых в грунте достигает 40%.
Расставить все точки над «i» должен был следующий аппарат NASA — Lunar Reconnaissance Orbiter, запущенный в 2008 году. Его оснастили «полным пакетом» разведчика воды: радаром, ультрафиолетовым спектрометром и нейтронным детектором.
Нейтронный детектор LEND спутника LRO — российской разработки и производства. Прямой потомок детектора HEND, который сумел обнаружить и картографировать залежи марсианской воды во время работы на зонде Mars Odyssey. LEND — следующее поколение нейтронных детекторов, имеет повышенную точность по сравнению с детектором Lunar Prospector и Mars Odyssey. Российский лунный прибор оснащен так называемым «коллиматором» — ограничителем, который позволяет на порядок сузить поле сканирования, а значит повысить разрешающую способность прибора, то есть увидеть мелкие географические подробности в распределении воды в верхнем метре лунной поверхности.
LRO дал возможность увидеть испарения воды над Луной, при помощи отработанного еще в программе Apollo метод ударного воздействия на Луну. Ударным средством стал разгонный блок Centaur, который доставил LRO к Луне. Дополнительно на Centaur был размещен отдельный исследовательский аппарат LCROSS, который летел сразу за разгонным блоком, и должен был проанализировать вспышку и выброс от его падения в кратере Кабеус. LCROSS сумел зарегистрировать линии водяного пара в спектре ударной вспышки, однако выброс оказался в несколько раз слабее чем ожидалось. Все попытки наблюдать вспышку с Земли, даже в самые большие телескопы, оказались неудачны. К тому же, сам Centaur содержал остатки кислород-водородного топлива, поэтому они могли внести искажения в итоговые результаты, хотя сами ученые такую ошибку исключают. По данным LCROSS, в грунте Кабеуса содержалось около 5% воды.
За несколько лет работы LEND сумел собрать данные о распределении водорода в поверхности Луны как в обычном режиме, там и через коллиматор. Привычный режим исследования, когда детектор принимает нейтроны летящие во всех сторон, показал результаты сходные с Lunar Prospector. А вот коллиматор принес сюрприз. Как оказалось, концентрация воды в грунте у лунных полюсов далеко не всегда соответствует низинам и донной части кратеров. LEND сумел определить высокое содержание водорода на приполярных возвышенностях, и, наоборот, практически полное его отсутствие в некоторых глубоких кратерах. Правда все эти колебания от «мало» к «много» проходили в пределах 1% по массе воды в грунте.
Добавил интриги еще лазерный высотомер LOLA на том же спутнике LRO. На дне одного из самых глубокий кратеров Южного полюса Луны обнаружилась поверхность с очень высокой отражающей способностью. Всё выглядит так, будто до 22% донной части кратера покрыто водяным льдом.
Таком образом, вода на лунный полюсах за 25 лет исследований из смелой догадки превратилась в многократно подтвержденный факт. Однако еще много остается вопросов без ответа. Пока сложно сказать каково происхождение этой лунной воды, каков объем запасов, и в какой форме она сохраняется в таком негостеприимном космическом теле. На эти вопросы могли бы ответить спускаемые аппараты, способные исследовать поверхность непосредственно. К сожалению, пока такие проекты откладываются. Российский спускаемый аппарат «Луна-25» не полетит раньше 2021 года, а запуск индийского Chandrayaan 2 сдвигается на 2019-й. Позже к Луне должен отправиться следующий российский спускаемый аппарат «Луна-27», оборудованный буровой установкой, которая попытается добыть грунт с глубины 1-2 метра и определить содержащиеся летучие соединения.
Смысл поиска лунной воды связывается с перспективами будущей обитаемой лунной станции, которая могла бы использовать местную воду для бытовых и технических нужд людей, в том числе для выработки ракетного топлива.
Подготовлено для Nplus1.ru, публикуется в авторской редакции.