Текст книги "Делай космос!"

9.2. Лунная форточка во Вселенную

Обычно тема Луны обсуждается в контексте исследования ее поверхности: осмотра с орбиты или работ луноходов или пилотируемой программы. Оказалось, наш единственный естественный спутник обещает новые возможности и радиоастрономии, которые позволят заглянуть туда, куда не смотрел еще никто. В обсуждении пользы лунной программы для радиоастрономии приняли участие Юрий Ковалев из АКЦ ФИАН, Леонид Гурвиц из объединенного института РСДБ в Европе (Joint institute for VLBI in Europe) и Михаил Могилевский из ИКИ РАН.

Заведующий лаборатории внегалактической радиоастрономии Астрокосмического центра Физического института имени П. Н. Лебедева РАН Юрий Ковалев.

– Юрий, как вы относитесь к идее строительства обитаемой базы на Луне?

– Если коротко, то строить на Луне радиообсерваторию надо, но идти на Луну только ради этого несерьезно – слишком дорого. Однако если будет принято стратегическое решение, что Россия строит лунную базу, скажу: не поставить на Луне длинноволновый радиотелескоп – преступление. Сверхдлинноволновый диапазон – это единственное окно электромагнитного спектра, которое до сих пор не открыто. Сверхдлинные волны из космоса на Землю не проходят, они отражаются от ионосферы, соответственно, надо ставить телескоп за пределами Земли. Можно ставить на орбитальный аппарат (free flyer), можно ставить на Луне. В принципе, на Луне подороже будет. С другой стороны, если там база уже есть, то поставить телескоп, который отработает в течение очень долгого времени, можно и нужно.

– А почему на спутники не ставят?

– На спутники можно ставить, однако, вы понимаете, что мы говорим про большие размеры и большое количество приемников излучения. Длина волны порядка двадцати метров. И сколько тот спутник проживет? В то же время телескоп на Луне даже обслуживать особо не надо. Просто «разбросать» проволоку по поверхности. Почему Луна? Проблема не только в том, чтобы поставить на спутник, а в том, что нам нужно защититься от помех Земли – наша планета очень «горячая» в этом диапазоне.

– То есть нужно строить на обратной стороне?

– Да, Луна здесь рассматривается как защита сверхдлинноволнового радиотелескопа от излучения Земли. Он должен ставиться либо на обратной стороне, либо в кратеры на полюсах. Естественно, будет задача передать данные на Землю. Если вы ставите на обратной стороне Луны, вам нужен ретранслятор, и, скорее всего, это будет спутник. Если ставите на полюсах, то можно поставить ретранслятор на краю кратера. Варианты обсуждаются, включая реализацию телескопа на спутнике, летающем вокруг Луны: когда телескоп закрыт Луной от Земли и проводит наблюдения и, соответственно, когда открывается, сбрасывает данные на Землю.

Пока это обсуждается на уровне идей, которые нужно продумать и отработать. Это последнее оставшееся неоткрытым окно электромагнитного спектра в изучении Вселенной.

Несколько слов про возможные научные задачи. Начнем с исследования так называемой эпохи вторичной ионизации. Это еще одна потенциальная Нобелевская премия, из-за которой длинноволновая радиоастрономия последние годы получила сильнейший толчок в развитии и интересе мирового сообщества. Излучение водорода с разных космологических расстояний во Вселенной позволяет построить трехмерную карту Вселенной в линии нейтрального водорода. Чем дальше находится водород, тем, соответственно, длиннее волна. По значению для космологии это сравнимо с реликтовым излучением.

Космический телескоп ESA Planck и его карта реликтового излучения.

LOFAR, SKA и другие проекты занимаются изучением эпохи вторичной ионизации и картографированием нейтрального водорода на более коротких волнах. Под эту задачу будет также полезно иметь сверхдлинноволновый радиотелескоп.

Не забудем, что каждое новое окно в электромагнитном спектре приносило свои сюрпризы – результаты, которые невозможно предсказать заранее. Надеюсь, обсуждаемая нами последняя «форточка» не окажется исключением.

– Вы упомянули лунный спутник. Для меня эта тема близка. Как вы считаете, в масштабах микроспутника можно ли реализовать хотя бы прототип такого телескопа?

– Если ваш лунный микроспутник может вывести наружу какой-то диполь или более хитрую измерительную систему, это было бы потенциально полезно. Важный вопрос – насколько внутренние помехи аппарата помешают работе телескопа. Требуется анализ.

Руководитель отделения космических исследований Joint institute for VLBI in Europe Леонид Гурвиц.

– Необходимое для микроволновой радиоастрономии оборудование – сравнительно просто. Радиоастрономический приемник для частот этого диапазона (частоты ниже 10–15 мегагерц) может спаять школьник-радиолюбитель. Это довольно дешево. А объем информации, грубо говоря, пропорционален несущей частоте. Поток данных сравнительно небольшой, современная цифровая система справится. Антенные системы, несмотря на свои размеры – довольно большие, – очень просты. Это могут быть просто провода, разложенные по поверхности.

– А какой они должны быть длины?

– Юрий Ковалев уже упоминал: длина волны порядка 20 метров, вот и размер антенны должен быть не меньше. В то же время существуют современные технологии, позволяющие сделать антенну много меньше. К примеру, сотовые телефоны работают на длине волны 20 сантиметров, хотя антенн таких размеров не несут. У них антенны активные, и такие же технологии могут применяться в космосе. Но для лунной поверхности она, может, и не нужна. Размотать по поверхности Луны или даже в открытом космосе катушку с очень тонким проводом не составит труда. Принципиальной разницы между спутником и поверхностью в этом нет.

Спутник выгоднее, потому что посадка на поверхность Луны какой угодно полезной нагрузки – дело сложное и дорогое. С другой стороны, раз уж мы полетим осваивать Луну, эта работа потребует доставки тонн грузов, добавить к ним несколько десятков килограммов полезной нагрузки для радиоастрономии не составит труда. А эффект будет колоссальный. Я думаю, в сверхдлинноволновой радиоастрономии запрятаны одна-две Нобелевских премии. Это уже практически закон: если какой-то параметр исследовательской установки улучшается на порядок или порядки величины, или начинается работа в совершенно новой, неосвоенной области, то гарантированно будут открытия, которые трудно предсказать. Это в полной мере относится к нашей теме.

Если пилотируемые полеты на Луну будут, а они определенно будут, то будет непростительно не использовать эту возможность для того, чтобы развернуть там сверхдлинноволновый радиотелескоп. Так что в будущей лунной программе радиоастрономия будет попутным пассажиром, а в открытом космосе можно создавать самостоятельную обсерваторию. Научная мотивация та же самая, но достоинство спутника в том, что можно создать целый рой микроспутников, в котором каждый аппарат несет на себе один антенный элемент: простой, легкий. Этот рой спутников можно поместить где-нибудь в тени Луны, например, в точке Лагранжа-2 системы Земля-Луна. Эта точка находится за Луной, там спутники будут защищены от антропогенных помех. Размещение в этой точке имеет ряд ограничений. Точка – это такая идеальная позиция. На самом деле спутник в этой точке совершает так называемую «фигуры Лиссажу» и лишь на некоторых этапах своего перемещения оказывается в тени Луны.

Можно расположить этот рой и на низкой окололунной орбите. Тогда этот рой какую-то часть своей орбиты будет проводить в конусе затенения Земли. Такие варианты рассматриваются, конкретный проект сейчас разрабатывается в Китае. Можно подумать о том, чтобы сверхдлинноволновую обсерваторию запустить куда-то очень-очень далеко. Так далеко, что антропогенные помехи от Земли будут незначительны в силу расстояния. Но надо довольно далеко улететь. Помните, в заставке фильма «Контакт» космический аппарат улетает от Земли: сначала вокруг него много помех, потом он удаляется все дальше, и на распространение сигнала требуется больше времени. Наконец они перехватывают первую телетрансляцию с берлинской Олимпиады 1936 года, потом первые радиосигналы – и тишина. Так вот, тишина наступает из-за двух факторов: во-первых, они улетели так далеко, что практически во времени переместились, а во-вторых, сказывается фактор расстояния. Расстояние сказывается пропорционально квадрату в знаменателе. То есть, если вы удалились в десять раз, то по интенсивности помеха уменьшилась в сто раз. Удалившись в десять раз дальше Луны, мы уменьшим помехи в сто раз. Удалимся в сто раз – уменьшим помехи в десять тысяч раз.

Соответственно, у нас имеется три способа: на поверхности обратной стороны Луны, на окололунном спутнике, или совсем далеко. Варианта отлета совсем далеко в реальной проработке сейчас нет. А вариант на Луне и на окололунном спутнике есть. Этим занимаются китайские коллеги в рамках программы Chang’e. В России лунная программа сейчас тоже возрождается – есть проекты «Луны-25», – 26, -27, -28… К сожалению, пока ни на одном из этих аппаратов нет полезной нагрузки для сверхдлинноволновой радиоастрономии. Это достойно сожаления, поскольку это позволило бы «срезать угол» в гонке за открытиями в этом диапазоне. По технологии и по затратам это сравнительно несложно. Построить такой сверхдлинноволновой радиотелескоп много-много дешевле, чем «Радиоастрон» или другие из серии «Спектр». Полезная нагрузка простая, дешевая, но гарантированно принесет значительные открытия.

Если говорить о тестовом спутнике, который подошел бы для наших целей, то хватило бы аппарата массой несколько килограммов. Мы разрабатывали антенну, которая подходит для наших целей, которая не диполь, а триполь. Это симбиоз обычного диполя и активной антенны с усилителем, аналого-цифровым преобразователем, системой обработки и передачи тянула на несколько килограмм. Габариты получались как у небольшого фотоштатива. Если такую штуку выкинуть на окололунной орбите, то она способна там самостоятельно функционировать.

Вам известна китайская организация Харбинский технологический университет? Они работают активно с CNSA по похожему проекту, и они это пытаются вставить в программу Chang’e. Кроме того, в рамках программы Chang’e ведется разработка антенн на двух аппаратах Chang’e. Одна антенна – на спутнике-ретрансляторе, а другая – на посадочной ступени, садящейся на обратную сторону Луны.

Рассматривается возможность поставить на оба аппарата сверхдлинноволновую полезную нагрузку. Тогда у них получится радиоинтерферометр со сверхдлинными базами, подобный «РадиоАстрону», только в сверхдлинноволновом диапазоне. Китай собирается располагать ретранслятор как раз в точке Лагранжа-2 системы Земля-Луна с известными преимуществами и недостатками этой точки, о чем мы уже говорили. Эта работа уже идет.

Благодарю за помощь в подготовке материала заведующего лабораторией физики магнитосферных процессов Института космических исследований РАН Михаила Могилевского.

9.3. Межпланетная спелеология

Пещеры с древних времен привлекают человека – их темнота полна опасностей, но тайны в глубине манят и питекантропов, и современных ученых, и туристов. На Земле изучены сотни сухопутных и подводных пещер, но впереди маячит более сложная цель – пещеры на других планетах.

Большинство известных пещер Земли – это результат эрозии – разрушения горной породы, как правило, под воздействием воды и растворенных в ней химических соединений. Такие пещеры называются карстовыми. В вулканических же регионах распространены подземные полости, имеющие лавовое происхождение: купола и трубки. В отличие от карстовых пещер, на образование которых требуется тысячи или миллионы лет, вулканические пещеры образуются довольно быстро, в период извержения и активного излияния лавы.

Лавовая трубка – это протяженный тоннель, естественного происхождения, иногда до десятков километров, с плоским полом и сводчатым потолком. Трубка формируется в процессе извержения достаточно жидкой и вязкой базальтовой лавы. Распространяясь от источника, лавовый поток начинает остывать, и первым затвердевает верхний слой, образуя корку, под которой течение продолжается. За счет выделения вулканических газов между коркой и потоком, формируется полость, которая расширяется по мере иссякания потока. В результате получается настоящий «метрополитен», пригодный для пешего передвижения. Повышенное давление вулканических газов приводит к вторичному плавлению сводов трубки, поэтому ее иногда покрывают лавовые сталактиты.

Вулканизм известен и на других планетах.

По ряду косвенных признаков можно предполагать, что вулканы Венеры еще продолжают извергаться, и благодаря тамошней жаре лава остывает гораздо медленнее, а значит, потоки будут намного шире. Предполагается также, что температура плавления венерианской лавы ниже, благодаря серным соединениям, что еще больше способствует подвижности лавовых потоков, а значит, протяженности тоннелей.

Марс известен своими гигантскими вулканами, правда, сейчас они все уснули, но успели залить тысячи квадратных километров поверхности базальтовой лавой.

Луна в свое время тоже переживала активный период, связанный как с астероидной бомбардировкой, так и с внутренней тектонической деятельностью. Огромные просторы Луны залиты лавовыми потоками, которые мы называем морями.

О том, что на Луне и других планетах должны быть лавовые пещеры, ученые предполагали еще в XIX веке, но первые открытия произошли уже с развитием космонавтики.

Обрушившиеся вулканические трубки на склонах марсианских вулканов сумела обнаружить автоматическая межпланетная станция Viking в 70-е.

Через тридцать лет спутник Mars Odyssey запечатлел первые провалы, указывающие на еще существующие пещеры, которые ждут своих спелеологов. Диаметр зияющих провалов достигал 250 метров. Большая их часть была обнаружена на склонах щитовых вулканов в нагорье Фарсида. Современный орбитальный аппарат Mars Reconnaissance Orbiter при помощи телескопа высокого разрешения HiRISE сумел заглянуть в недра Марса, насколько это возможно с орбиты.

Марсианские пещеры привлекают ученых по нескольким причинам. Из-за тонкой атмосферы вся поверхность планеты облучается солнечным ультрафиолетом и бомбардируется космическими заряженными частицами, поэтому возможность длительного сохранения микробной жизни или даже сложных органических соединений маловероятна в верхних слоях грунта. Под защитой пещерных сводов, сохранность этих материалов резко повышается – даже если самой жизни уже не найти, ее останки пролежат гораздо дольше. Кроме признаков жизни в марсианских пещерах возможно обнаружение водяного льда и других, более летучих в условиях открытой местности соединений.

Самые смелые мечтатели предполагают, что марсианские пещеры могут стать основой первых человеческих баз и поселений – защита от радиации и запасы воды пригодятся очень кстати. Хотя ряд факторов указывает, что вулканические пещеры Марса – не самое подходящее место для жизни. Все они находятся в вулканических склонах на высоте в несколько километров над равниной. Посадка в высокогорных регионах затруднена из-за слишком тонкого слоя атмосферы. Атмосфера помогает экономить топливо на этапе посадки, поэтому наиболее тяжелые космические аппараты стараются опускать в наиболее глубоких местах Марса. Низины лучше защищены и от радиации благодаря той же увеличенной прослойке атмосферы. Залежи водяного льда тоже уже изучены как с поверхности, так и со спутников, в том числе у самой глубокой впадины Марса – долины Эллада. Поэтому, пока не подтверждены биогенные или другие полезные ископаемые в пещерах, исследовать их целесообразно роботизированными средствами.

Немаловажный фактор, который тормозит марсианскую спелеологию – требования планетной безопасности. Если есть вероятность сохранения гипотетической марсианской жизни в пещерах, то исследователь должен быть на 100 % стерильным, чтобы исключить вероятность фантастического сценария «Марсианских хроник» где один чих землянина погубил великую цивилизацию. На сегодня обеспечить полную стерильность космического аппарата на Земле не удается, а наши микробы способны переносить условия космического полета. Поэтому марсиан не ищут, чтобы не уничтожить их ненароком.

Зато доктрина планетной безопасности не мешает посещать лунные пещеры. Полая Луна неоднократно становилась местом действия фантастических произведений. Хотя реальность далека от фантастики, она тоже обнадеживает романтиков. Существование лунных пещер предполагалось давно, но прямые подтверждения пришли только в 2009 году. Японская автоматическая станция Kaguya впервые обнаружила необычные кратеры, которые не имели кругового вала и никаких признаков выбросов из кратера. Их диаметр достигал 100 метров, а глубина казалась значительной настолько, что боковой солнечный свет просто не доставал до дна. Американский зонд Lunar Reconnaissance Orbiter сумел рассмотреть провалы гораздо детальнее в разное время суток и оценить не только глубину дна с его содержимым, но и структуру боковых стенок, аппарат даже попытался заглянуть под своды.

Группа ученых из Университета Аризоны разработала специальный алгоритм PitScan, который в полуавтоматическом режиме искал на фотографиях провалы пещер на поверхности Луны и обнаружил больше двухсот. Их можно разделить на три условные группы:

– провалы лавовых каналов, которые истекали лавой при извержении вулканов;

– лавовые полости, сформированные расплавом, возникшим в больших кратерах от падения крупных астероидов;

– полости в лунных морях.

Пробоину в предполагаемую лавовую трубку смогли рассмотреть на вулканическом нагорье Холмы Мариуса, у экватора на западе видимой стороны Луны. Со спутников там ясно виден канал лавового потока, протянувшегося от жерла вулкана на десятки километров. Примерно в 25 километрах от кратера в застывшем потоке видна пробоина. Либо ее проделал метеорит, либо крыша провалилась сама, но сейчас видно отверстие шириной в 80 метров и глубиной 45 метров. Ширина потока в месте пробоины достигает 800 метров, а выше по течению доходит до 1 километра, поэтому там возможно расположение гигантского по земным меркам тоннеля.

В Университете Пердью провели численное моделирование, согласно которому прочность базальтовой лавы и низкая лунная гравитация позволяют сохранять без разрушения своды в тоннелях шириной до 1 километра при поверхности и залы до 5 километров на глубине несколько сот метров. Сравнить моделирование с реальностью помогли данные о гравитационном поле Луны, полученные при помощи зондов GRAIL. Ученые взяли показания GRAIL над возможной полостью в Холмах Мариуса и поискали подобные показания в других данных. Так удалось обнаружить до десяти «подписей» возможных лунных полостей, длина некоторых из них – 100 километров, а ширина – не превышала несколько километров. Большинство из них найдено под лунными морями.

Несколько пробоин в лунных морях действительно обнаружено, правда, они не совпадают с теми возможными пустотами, которые вычислили по отклонениям гравитационного поля. Тем не менее, одно отверстие в Море Спокойствия, примерно в 400 километров на северо-восток от места посадки Apollo 11, является самым большим и глубоким из осмотренных со спутника. Отверстие имеет диаметр около 100 метров и такую же глубину. Поблизости не просматривается каких-либо лавовых каналов или вулканических куполов, которые могли бы указывать на происхождение тоннеля, однако можно предполагать его наличие. Эта пробоина интересна ученым не только тем, что скрывается на дне, но и своей слоистой структурой, которая видна на обрывистых стенах провала. Эти слои подсказывают ученым, что лавовое Море формировалось вследствие многократных разливов лавы, некоторые из которых были довольно тонкими, до 1 метра.

Отверстие в Море Спокойствия остается одним из наиболее подходящих мест для посадки роботизированного зонда, который бы изучил пещеры изнутри. Однако пока лунных роботов-спелеологов никакое космическое агентство не планирует подобных миссий. Ближе всего к тайнам лунных лавовых трубок приблизились астронавты Apollo 15, исследовавшие склоны каньона Хэдли Рилл, который по одной из гипотез был некогда лавовой трубкой, но полностью обрушился.

Пока же, будущее исследование лунных и марсианских пещер готовится на Земле. На нашей планете для изучения и посещения доступно немало вулканических пещер, которые позволяют представить все сложности межпланетной спелеологии. В России лавовые трубки и пещеры известны на Камчатке. Одна из лавовых трубок, протяженностью около 100 метров, доступна в кальдере вулкана Горелого. Эта пещера довольно древняя, оставшаяся после извержения двухтысячелетней давности. В ней можно ощутить себя марсианским исследователем, благодаря температуре близкой к нулю и массивному леднику, который частично перекрывает вход.

Несколько пещер сформировалось в ходе извержения вулкана Толбачик 2012–2013 гг. Эти пещеры более живописны: с лавовыми сталактитами «акулий зуб» покрывающими потолок, соляными натеками на потолке и подрастающими сталагмитами на полу. Здесь еще сохраняется жар остывающей лавы, на горячих трещинах можно кипятить чай, а некоторые ответвления пещер недоступны для посещения из-за высокой температуры.

Несмотря на привлекательность исследования инопланетных пещер, пока ни одно космическое агентство не посягнуло на их тайны. Серьезным препятствием остается техническая реализация такого исследования. Зонд потребуется посадить точно на дно провала, либо обеспечить альпинистским снаряжением для спуска по вертикальной стене. Одного этого достаточно, чтобы остановить всю разработку – слишком высока сложность, а значит – риск. Кроме того, потребуется обеспечить электропитание робота в условиях пещерной тьмы, управление и поддержание связи без прямой радиовидимости. В планетных исследованиях всегда предпочтение отдается проектам с высокой надежностью, обещающим длительные поставки уникальных данных, поэтому роботы-спелеологи пока проигрывают конкуренцию спутникам и телескопам.

Лишь несколько частных команд участников конкурса Google Lunar XPRIZE объявили, что их разработки позволят изучать лунные пещеры. Американская команда Astrobotic и японская Hakuto обозначили лунные пещеры в качестве целей, но пока их зонды остаются на Земле. Учитывая редкость лунных пещер и сложность точной посадки – маловероятно, что команды с первого раза спустятся в полости Луны.

Глава первоначально подготовлена для научно-популярного портала N+1, и опубликована под названием «Межпланетная спелеология».

Страница: https://nplus1.ru/material/ 2017/11/28/space-speleology