Стоимость проекта "Лунар Проспектор" ("Лунный изыскатель") составила относительно небольшую сумму в 63 млн. долларов. Основными задачами его стали исследования с низкой полярной орбиты состава поверхностных пород Луны, отложений льдов в полярных областях, структуры магнитного поля и поля тяготения, а также изучение природы кратковременных явлений, возможно связанных с процессами дегазации лунных недр.
Аппарат, выведенный на окололунную полярную орбиту 11 января 1998 г., представлял собой цилиндр высотой 1.22 м с диаметром 1.4 м с тремя радиальными штангами для размещения приборов. Масса аппарата в орбитальной конфигурации составляла 126 кг. Научная программа "Лунар Проспектора" в соответствии с его задачами включала ряд экспериментов, продолжавших глобальные исследования всей поверхности лунного шара. Гамма-спектрометр и нейтронный спектрометр предназначались для получения данных по химическому составу поверхностных пород, что может уточнить историю эволюции лунной коры, продолжительность и границы распространения лунного базальтового вулканизма, а также оценить запасы некоторых природных ресурсов на Луне. Кроме того, данные нейтронного спектрометра позволяли выявлять отложения водного льда в полярных районах Луны.
Магнитометрический эксперимент был призван способствовать лучшему пониманию природы лунного палеомагнетизма и определению роли ударных процессов в формировании местных палеомагнитных аномалий.
Альфа-спектрометр регистрировал потоки альфа-частиц, связанных с процессами дегазации при участии радона. Определение частоты и местоположения истечений газов призвано установить возможные источники подпитки современной лунной атмосферы. Предполагалось, что исследования обстоятельств подобных кратковременных явлений, возможно, вскроют некоторые особенности современной тектонической деятельности Луны.
Наконец, традиционные траекторные измерения были использованы для дальнейшего уточнения глобальных и локальных параметров гравитационного поля Луны.
Состав научной аппаратуры "Лунар Проспектора" не предусматривал получения изображений поверхности. По мере накопления данных полученная информация накладывалась на специально разработанную по материалам съемок с борта космического аппарата "Клементина" объемную модель лунной поверхности, что и обеспечило процесс визуализации получаемых сведений.
После ряда орбитальных маневров в окололунном пространстве 15 января 1998 г. аппарат вышел на штатную орбиту для регулярных наблюдений лунной поверхности с помощью всех имеющихся приборов. Штатная орбита была почти круговой (99 км в периселении и 100 км в апоселении) с наклонением 90° к лунному экватору и периодом 1 час 58 минут. Исследования с этой орбиты продолжались примерно год, после чего аппарат был переведен на более низкую орбиту (24 километра на 37 километров) для получения данных с лучшим разрешением. На этой орбите "Лунар Проспектор" провел еще около полугода. Перед окончанием миссии аппарат был переведен на еще более низкую орбиту с наименьшим расстоянием от Луны около 10 км. Драматическим завершением всей программы стало незапланированное ранее направленное падение аппарата в избранную точку лунной поверхности вблизи южного полюса для подтверждения и уточнения некоторых результатов, полученных с борта "Лунар Проспектора" ранее.
Сверху видно все
Большой объем информации, переданной с борта "Лунного изыскателя", привел к тому, что окончательная обработка данных растягивается на длительный срок. Обнародованные до сих пор данные являются предварительными.
Работа бортового гамма-спектрометра обеспечила картографирование содержания около десятка химических элементов, таких как торий, калий, уран, железо, кремний, алюминий, кальций, титан и магний, в поверхностном веществе на всей территории Луны. Эти данные позволяют уточнить физиографическое строение лунного шара. Например, используя карты распространения железа и титана в поверхностных породах Луны, авторы эксперимента намерены выявить и описать районы различных типов базальтов в областях лунных морей. Аналогичным образом, используя сочетание карт распространения железа, алюминия и магния, можно идентифицировать области распространения различных лунных пород в материковых районах. Особый интерес с точки зрения изыскательских задач представляют аномальные районы необычных сочетаний химических элементов в лунных породах. Не исключено, что эти области окажутся местами отложений, которые можно будет рассматривать в качестве естественных лунных ресурсов.
Картографирование содержания тория было выполнено с разрешением 60 км. Это позволяет выявить некоторые особенности распределения тория по лунной поверхности. Оказалось, что существуют отдельные районы более высокой концентрации этого элемента, примыкающие к структурам ударного происхождения. Подобное обстоятельство позволило авторам эксперимента сделать вывод, что породы, обогащенные торием, более вероятно были выброшены на поверхность в результате ударов падающих на Луну астероидов и комет, а не выплавлены из ее недр в процессе лунного вулканизма. Поскольку формирование крупных ударных структур и появление на лунной поверхности основных лавовых потоков относятся к разным эпохам эволюции Луны, карты распределения тория в поверхностных породах повествуют об одном из эпизодов лунной истории.
Магнитометрические измерения, проведенные по программе пилотируемых полетов "Аполлон-15" и "Аполлон-16", обнаружили районы магнитных аномалий на Луне при отсутствии глобального магнитного поля планетарного характера. Но эти измерения относились лишь к узкой приэкваториальной зоне и насчитывали всего 10000 отдельных замеров. Результаты магнитометрической съемки, проведенной с борта "Лунар Проспектора", охватывают всю лунную поверхность и основываются на 700 тыс. отдельных определений напряженности местного магнитного поля. Этих данных достаточно, чтобы составить магнитную карту всей Луны с разрешением около 3° на поверхности. Для отдельных районов, исследованных с малых высот, разрешение магнитометрической съемки составляет всего лишь 0.5°, то есть 15 км.
Полученные данные подтверждают существование районов с аномальной напряженностью местного магнитного поля. Оказалось, что четыре наиболее крупные магнитные аномалии расположены на обратной стороне Луны в областях, приблизительно антиподальных соответственно Морю Дождей, Морю Ясности, Морю Кризисов и Морю Восточному. Однако, в областях, антиподальных кольцевым структурам, подобным по возрасту и размерам, таким как Море Нектара или Герцшпрунг, никаких магнитных аномалий не обнаружено. Несмотря на это, авторы эксперимента категорически настаивают на том, что происхождение лунных магнитных аномалий однозначно связано с возникновением наиболее молодых крупных кольцевых структур — бассейнов, которые на последующих этапах развития Луны превратились в круговые моря видимого полушария Луны. В рамках подобной гипотезы остается необъяснимым происхождение наиболее крупной магнитной аномалии Луны, совпадающей по расположению с образованием Рейнер-гамма — загадочной альбедной структурой на видимой стороне Луны. Этот район не является антиподом какому-либо бассейну на противоположном полушарии Луны.
Особо интересные результаты магнитометрических измерений были получены в апреле 1998 года во время пересечения Луной геомагнитного хвоста Земли. Предварительная интерпретация этих данных указывает на существование у Луны металлического ядра с радиусом от 250 до 430 километров.
Независимое подтверждение этого вывода было получено из анализа гравиметрических измерений. Структура поля тяготения Луны, выведенная из высокоточных траекторных определений, была сопоставлена с результатами лазерной альтиметрии (измерение высот различных точек поверхности), полученными ранее, в частности, с борта полярного спутника Луны "Клементина". Интерпретация этих данных о внутреннем строении Луны также позволила предположить наличие металлического (в основном железного) ядра с радиусом от 220 до 450 километров.
Существенной особенностью является относительная масса ядра. У Земли масса железного ядра составляет около 30% от общей массы планеты. Если принять гипотезу о происхождении Луны одновременно с Землей путем конденсации из первичного газопылевого облака с последующим этапом дифференциации недр, надо допустить, что относительная масса металлического ядра будет примерно той же — около 1/3 от массы лунного шара.
Однако, оценки, сделанные на основании упомянутых выше гравиметрических данных, показали, что масса лунного ядра может составлять не более 4% от общей массы Луны при наиболее вероятном значении меньше 2% массы лунного шара.
Таким образом, по мнению авторов эксперимента полученные ими новые данные служат подтверждением гипотезы ударного образования Луны из вещества мантии молодой Земли при столкновении ее с телом размерами с Марс. Только в этом случае можно объяснить различия в химическом составе лунных и земных пород, а также различия во внутреннем строении обоих тел.
Полярные льды безводной Луны
Наиболее сенсационным открытием "лунного изыскателя" стала регистрация повышенного содержания водорода в приполярных областях Луны, что было интерпретировано как наличие ледяных отложений в "холодных ловушках" постоянно затененных полярных кратеров. Поскольку температура поверхности в "холодных ловушках" может постоянно находиться на уровне около -200°С, теоретические исследования давно уже предполагали, что водяные пары, возникающие, например, при падении комет на лунную поверхность, могли улавливаться и накапливаться здесь в виде ледяных отложений.
В основу эксперимента легли измерения, выполненные с помощью нейтронного спектрометра. Прибор с массой 3.9 кг имел возможность путем регистрации потока "медленных" нейтронов, возникающих в процессе столкновения нейтронов космических лучей с атомами водорода, детектировать даже небольшие отложения водного льда при уровне его содержания в лунном грунте менее 0.01%. Разрешение на поверхности в этом эксперименте составляло 150 км при высоте орбиты 100 км. Слой лунной породы — реголита, к которому формально относятся полученные данные, составляет 0.5 м. Однако, исполнители эксперимента считают, что с учетом глубины перемешивания реголита за геологически длительный период времени (2 млрд. лет), полученные сведения можно отнести к слою мощностью до 2 м.
Оказалось, что в районах северного и южного полюсов обнаруживаются области, в которых содержание водного льда в грунте на глубине от 0.5 м до 2 м может составлять от 0.3% до 1%.
Расчеты показали, что эквивалентное содержание водяного льда в постоянно затененных участках вблизи лунных полюсов достигает около 200 миллионов тонн на южном полюсе и примерно 60 миллионов тонн на северном полюсе. Конечно, речь не идет о массивах чистого льда. Скорее всего, можно предполагать смесь реголита с ледяными частицами, некое подобие мерзлого грунта в земных районах вечной мерзлоты.
Вместе с тем, оставались и сомнения в правильности интерпретации полученных результатов: достоверен сам факт присутствия водорода в полярных областях в аномальных количествах, но форма его существования может быть разной.
Истина потребовала жертву
Чтобы не оставлять окончательное решение проблемы лунных льдов на долю последующих космических полетов к Луне, руководители проекта "Лунар Проспектор" решили на заключительном этапе миссии пожертвовать аппаратом для установления истины.
Было решено осуществить еще один, незапланированный ранее эксперимент. Идея родилась "на ходу". Если осуществить направленное падение аппарата в район одной из холодных ловушек вблизи полюса, наблюдение с Земли возникшего при этом облака выбросов могло бы подтвердить существование лунных льдов. Предполагалось, что присутствие в испаренном облаке молекул ОН станет бесспорным доказательством ледяной составляющей в покровном веществе данного района Луны. Целью космической "бомбардировки" был выбран кратер вблизи южного полюса, который практически не виден на обычных снимках (в том числе и на снимках, сделанных с борта космического аппарата "Клементина"), поскольку находится в области постоянной тени. Форма и положение кратера были установлены в результате радиолокационной съемки этого района с помощью одного из крупнейших радиотелескопов Земли.
Однако, появились и сомнения в успехе подобного эксперимента. Масса падающего аппарата сравнительно невелика (126 кг). Скорость падения тоже незначительна — около 1.7 км/с. При этом траектория падения проходила под очень малым углом к поверхности (около 7°). Все эти обстоятельства падения обуславливают довольно низкую энергию удара. Согласно предварительным расчетам максимальная масса испаренного облака могла составить не более 87 кг. Плотность частиц в этом облаке лишь незначительно превышала плотность практически несуществующей лунной атмосферы и была примерно в 10 раз ниже того порога, при котором подобное облако можно обнаружить стандартными наблюдательными средствами. Следовательно, визуально зафиксировать облако, выброшенное взрывом, нельзя было ни при каких условиях. Слабая надежда на успех основывалась на том, что в ультрафиолетовой части наблюдаемого спектра южного полюса Луны в момент падения спутника удастся обнаружить хотя бы слабые линии, соответствующие молекулам ОН. Но полные расчеты вероятности успешных наблюдений были неутешительными. С учетом неопределенности расчетных моделей (количество льда в реголите, природа выбранного места удара, энергия удара, параметры ударно-образованного облака и т.д.) вероятность получения ожидаемых данных не превысила 10%.
К сожалению, оправдались самые пессимистические ожидания. Ни Космический телескоп им. Хаббла, ни крупнейшие инструменты наземных обсерваторий в 9 часов 51 минуту Всемирного времени 31 июля 1999 г., когда "Лунар Проспектор" врезался в вечно затененный склон 56-километрового кратера, не зафиксировали никаких следов облака водяного пара над южным полюсом Луны. Авторы эксперимента вынуждены были признать это после нескольких месяцев тщательного изучения материалов наблюдений.
Историю одного из основных открытий, сделанных "лунным изыскателем", можно завершить каламбуром: вопрос о существовании лунного льда остался на точке замерзания. До следующих полетов к Луне.
Шевченко Владислав Владимирович — доктор физ.-мат. наук, заведующий Отделом исследований Луны и планет Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга.