ФИЗИКА ЛУНЫ И ПЛАНЕТ

В. А. Бронштэн

1969 г. ознаменовался крупными достижениями в исследованиях Луны и планет, особенно в результате использования пилотируемых и автоматических космических аппаратов и межпланетных станций. Немало интересного дали и наземные методы исследования.

Первые люди на Луне

2 июля 1969 г., после десятилетней подготовки и серии испытательных полетов, американским ученым удалось осуществить посадку на Луне пилотируемого космического аппарата «Аполлон-11». В 5 час. 56 минут по московскому времени на поверхность Луны впервые ступила нога человека — американского космонавта Нейла Армстронга. Через 19 минут к нему присоединился другой космонавт — Эдвин Олдрин. На окололунной орбите в командном отсеке корабля оставался третий член экипажа — Майкл Коллинз.

24 июля «Аполлон-11» вернулся на Землю. Космонавты доставили около 22 кг образцов лунных пород. За два часа пребывания на лунной поверхности Армстронг и Олдрин установили там ряд научных приборов: сейсмометр для регистрации колебаний лунной коры, лазерный радарный рефлектор (лидар) для точнейшего измерения расстояний до земных пунктов передачи сигналов и др.

Наибольший интерес представляют, разумеется, результаты анализа лунных пород. Первоначальное их обследование началось уже 26 июля 1969 г. группой предварительного обследования, сформированной при Лунной приемной лаборатории НАСА. Спустя два месяца часть образцов была передана в распоряжение 140 исследователей США и некоторых других стран.

Вот что показали первые исследования. Наружный слой Луны (реголит) состоит из обломочных пород с размерами частиц от микроскопических до камней диаметром до 80 см. Многие из камней имеют округленные очертания снаружи и плоскую поверхность внизу. Здесь явно сказывается процесс эрозии, неизвестный на Земле (по-видимому, действие солнечного ветра и космических лучей).

Слой реголита пористый, слабо слипающийся, переходящий внизу в такой же, но более плотный материал.

Рис. 1. Образцы лунных пород.

Напомним, что посадка «Аполлона-11» произошла в Море Спокойствия, в 16 км к юго-западу от кратера Сабин D. Район падения расположен недалеко от нескольких светлых лучей, идущих от кратеров Теофил, Афраган и Тихо.

Значительная часть образцов состоит из кристаллической магматической породы, мелкозернистой и среднезернистой, пористой и пузырчатой. Часть образцов представляет собой брекчию (смесь обломков породив различных минералов и стекла) и, наконец, «мелочь» (так американские ученые назвали обломки и частицы менее 1 см).

Кристаллическая порода является вулканической, иначе говоря, напоминает вулканическую лаву или околоповерхностную магматическую породу. Однако соотношения минералов в лунных породах отличаются от любых земных пород, хотя и не очень сильно. Наиболее обильны и кристаллических породах моноклинальный пироксен (Fe, Mg, Са) SiO — 53%. плагиоклаз (один из алюмосиликатов) — 27%, самородное железо и его соединения ильменит (FеTiO_з) и троилит (FeS) — 18%. Изредка встречаются зерна оливина. Вся порода сходна с земным оливиноносным базальтом, но отличается высоким содержанием железа и титана. Кроме того, по сравнению с земными породами высоки концентрации циркония и иттрия. Зато никеля и кобальта обнаружено гораздо меньше, чем в земных породах и метеоритах.

Рис. 2. Исследование лунных пород.

Концентрации урана и тория близки к их значениям для земных базальтов, причем соотношение обилия урана и тория равно 1:4.

Все образцы пород обнаруживают признаки ударного метаморфизма, вызванного, по-видимому, ударами небольших метеорных тел. На поверхности образцов наблюдаются маленькие ямки, как бы выложенные стекловидной массой, а также маленькие стеклянные брызги, не обязательно связанные с ямками.

Никаких признаков водосодержащих минеральных. фаз, а также биологических образований обнаружено не было.

Какие же выводы можно сделать непосредственно из анализа доставленных «Аполлоном-11» лунных пород?

По своему химическому и минералогическому составу породы из Моря Спокойствия ближе всего подходят к толеитовым базальтам, а также к полевошпатовым ахондритам (тип каменных метеоритов), т. е. к таким породам, которые прошли процесс выплавления, Об этом процессе, которому подверглось в прошлом вещество лунных «морей», говорит относительно высокое содержание элементов с высокой температурой плавления (титан, цирконий, хром, иттрий) и низкое содержание легкоплавких элементов (свинец, калий, натрий).

Содержание урана и тория в лунных породах близко соответствует земным основным породам и на 2—3 порядка выше, чем в ультраосновных породах. В сочетании с данными «Сервейоров» и «Луны-10» это дает подтверждение точке зрения большинства ученых о том, что лунные «моря» покрыты породами основного, а материки — ультраосновного состава (см. АК на 1970 г., стр. 204).

Некоторые результаты дали и установленные экипажем «Аполлона-11» приборы. Сейсмограф зарегистрировал ряд сотрясений, но неизвестно, были ли они вызваны лунной сейсмичностью (лунотрясениями) или падениями крупных метеоритов. С помощью лазерного отражателя было проведено измерение расстояния от пункта посадки до Ликской обсерватории: 365273 км. Точность регистрации расстояния этим способом может быть доведена до 10—15 см.

19 ноября 1969 г. на Луну опустился лунный модуль «Интрепид» — посадочный отсек следующего американского космического корабля «Аполлон-12». Посадка произошла в Океане Бурь, в 370 км к югу от кратера Коперник, в месте, пересеченном системой его светлых лучей и всего и 200 метрах от американской автоматической лунной станции «Сервейор-3», прилунившейся здесь еще в апреле 1967 г. Па поверхность Луны высадились Чарльз Конрад и Алан Бин. В орбитальном отсеке остался Р. Гордон.

Программа «Аполлона-12» была гораздо обширнее, чем у «Аполлона-11». Космонавты пробыли на Луне 31 час и за это время совершили две «лунные прогулки» общей продолжительностью 7'/2 часов. За это время космонавты проделали путь около 2500 метров, «навестили» свою станцию «Сервейор-З», сняли с нее некоторые части для доставки на Землю (в том числе телекамеру, ковш микроэкскаватора, части алюминиевых труб и стеклянной облицовки, запаянную трубку с земными микроорганизмами). На Луне были установлены приборы: сейсмометр, детектор ионов, прибор для изучения природы солнечного ветра, ионизационный манометр.

Рис. 3. Лунный модуль «Интрепид», сфотографированный Ричардом Гордоном на пути к месту посадки в Океане Бурь.

Источником электроэнергии является ядерный генератор, где используется тепло, выделяемое радиоактивным плутонием-238.

Конрад и Бин собрали около 45 кг образцов лунных пород, которые были затем доставлены на Землю. Наибольший образец весит 1,8 кг и имеет в длину 18 см. Образцы из Океана Бурь оказались более светлыми, чем собранные в Море Спокойствия. Толщина пылевого покрова на месте посадки и в близлежащих кратерах оказалась больше, чем в районе прилунения «Аполлона-11» (до 10—15 см), что, как и светлота образцов, возможно, связано с наличием материала, выброшенного из кратера Коперник и формирующего его лучи.

Предварительное исследование доставленных пород показало, что их возраст — около 2,3—2,5 млрд. лет, но более тщательные измерения дали значения до 3,5 млрд. лет. Это меньше, чем возраст вещества из Моря Спокойствия (уточненная оценка наибольшего возраста пород оттуда — 4,6 млрд. лет), но это можно объяснить отчасти и насыпным происхождением вещества вблизи Коперника.

Таковы первые итоги пребывания первых людей — посланцев человечества — на Луне.

Загадка лунных масконов и проблема воды на Луне

Изучение движения искусственных спутников Луны типа «Лунар Орбитер» позволило американским ученым П. Мюллеру и В. Сьёгрену обнаружить четко выраженные гравитационные аномалии, связанные с концентрацией масс в близповерхностных слоях Луны. Эти области получили название масконов (от сокращения слов «масса» и «концентрация»). Масконы расположены в основном под большими круговыми морями: Дождей. Облаков, Ясности, Кризисов, Нектара, Влажности, под Восточным, а также в области между Заливом Зноя и Центральным Заливом (эта область может быть древним морским районом). Оценки масс в масконах колеблются от 10^-5 до 10^-6 массы Луны и лишь в Море Дождей она достигает 10^-4 массы Луны (около 10¹⁶ тонн). Моря неправильной формы (Море Спокойствия, Океан Бурь) никаких признаков масконов не обнаруживают. Один из масконов обнаружен в центральной части обратной стороны Луны (диаметром около 1000 км} и еще один — в районе Моря Краевого, вблизи лимба (диаметром 900 км).

Какова же природа масконов? По этому вопросу были выдвинуты три различные гипотезы. Мюллер и Сьегрен предположили, что масконы состоят из плотных веществ, например, из никеля и железа и представляют собой остатки космических тел, падавших на Луну и «заглубившихся» в лунные «моря». Однако эта гипотеза слишком искусственна, поскольку трудно предположить, что в природе существовали тела астерондальных размеров из железа и никеля.

Вторую гипотезу предложил американский ученый Дж. Гилварри, который считает, что масконы связаны с толщами осадочных пород, образовавшимися на месте древних лунных морей (в буквальном смысле слова). Гилварри еще задолго до открытия масконов высказывал идею о том, что в первый миллиард лет существования Луны она имела гидросферу. После испарения воды на месте морей образовались накопления осадочных пород, средняя плотность которых равна 2,4 г/см³. Несмотря на то, что плотность их невелика, они создают избыток массы, так как еще до их возникновения котловины морей (образовавшиеся, по Гилварри, за счет падения на Луну крупных тел) подверглись изостатическому выравниванию с окружающими их материками.

Вопрос о возможности существования на Луне воды (хотя бы в прошлом) сейчас вновь стал предметом серьезного обсуждения не только в связи с гипотезой Гилварри о масконах.

Еще в 1967 г. известный американский ученый Гарольд Юри высказал в ряде выступлений и статей гипотезу о том, что основным агентом, сформировавшим лунную поверхность, была вода, а не лава. Основанием для гипотезы Юри послужило обнаружение на снимках лунной поверхности, полученных «Лунар Орбигерами» извилистых борозд, напоминающих высохшие русла рек. По мнению Юри, они связаны с подповерхностными потоками, которые существовали одну или несколько эпох, когда на Луне была атмосфера, порожденная в результате катастрофических столкновений крупных тел с Луной.

Гипотеза Юри приобрела немало сторонников. Наиболее детальное исследование лунных борозд по снимкам «Лунар Орбнтеров» выполнили С. Пиль, Дж. Шуберт и Р. Липгенфельтер. Извилистые борозды нередко начинаются в кратерах, хотя часто их начало не прослеживается. Длина борозд доходит до 1000 км, а ширина составляет несколько километров. Извивы борозд напоминают речные меандры. Их наблюдаемые особенности (в частности, их связь с границами «морей») можно объяснить воздействием подповерхностных потоков воды. Вода могла выделяться вместе с другими летучими веществами из лунных недр за счет энергии падающих метеоритов или радиоактивного разогрева.

В 1968—1969 гг. в печати появилось множество статей, авторы которых обсуждают возможность существования под поверхностным слоем Луны слоя вечной мерзлоты и даже жидкой воды. Приводятся доводы как за, так и против подобной возможности. Однако ни один из этих доводов не является решающим, а в самом поверхностном слое признаков воды пока не обнаружено. Поэтому проблема лунной гидросферы пока не может считаться выясненной.

Вернемся к вопросу о природе масконов. Третья, и пожалуй, наиболее правдоподобная гипотеза, объясняющая это явление, была предложена известным исследователем Луны Р. Болдуином (США). Согласно этой гипотезе масконы образовались в результате застывания лавы, изверженной из лунных недр при ударах крупных космических тел о поверхность Луны. Застывшая лава имеет плотность, более высокую, чем у окружающих материков. Тем самым объясняется без дополнительных предположений (как в случае гипотезы Гилварри) и само явление масконов, и их связь с круговыми «морями».

Астрономический календарь, 1971 г.