100 великих загадок астрономии

Обратная сторона Луны

Луна неизменно обращена к нашей планете одной и той же стороной. В этом нет ничего необычного, так ведут себя многие спутники планет. Обратная сторона Луны долгое время оставалась одной из главных загадок, терзавших умы астрономов, пока в 1959 году советская межпланетная станция «Луна-3» не сумела сфотографировать эту не видимую с Земли часть лунной поверхности. Она передала на Землю изображения примерно 70 % обратной стороны Луны.

Снимки немало удивили астрономов. Темная сторона Луны отличалась от ее привычного для нас обличья так же значительно, как разнятся образы людей разных рас. Видимый нами лик усеян иссиня-черными пятнами. Традиционно эти «родимые пятна» Луны – обширные впадины, покрытые застывшей лавой, – называют «морями». С обратной же стороны морей почти не было, они занимали лишь несколько процентов ее территории. Поэтому, вопреки сроднившемуся с ней эпитету «темная», обратная сторона Луны гораздо светлее видимой нами части; у нее выше альбедо, отражательная способность. Две стороны Луны не похожи друг на друга, как ночь и день, как свет и тьма. Поистине, Луна двулика.

За полвека с небольшим в гостях у нее побывали более семидесяти экспедиций, и пилотируемых, и автоматических. Астрономы неизменно убеждаются в том, что между обращенной к нам стороной Луны и ее «изнанкой» гораздо больше отличий, чем допускает статистика – случайный разброс параметров.

Обратная сторона Луны

Обратная поверхность Луны сильнее иссечена кратерами, а значит, старше видимой ее части. Если с помощью наземных телескопов мы можем заметить свыше 40 тысяч кратеров, то на обратной стороне их гораздо больше. Различен и химический состав двух половин Луны. Та ее область, что взирает на нас всенощно, изобилует радиоактивными элементами, например торием. Следы вулканической активности здесь тоже гораздо ощутимее.

Причина подобных расхождений во многом неясна. Возможно, судьбу двух половин Луны разделил один-единственный удар. Известно, что после того, как Луна образовалась при столкновении с Протоземлей некоего небесного тела величиной с Марс, вся поверхность новорожденной планеты была покрыта «океаном» раскаленной магмы, чья глубина превышала пять с лишним сотен километров.

Остывал этот океан неравномерно. «Наша» сторона Луны изобиловала радиоактивными элементами; их распад подогревал бурлившую толщу, не давал ей окаменеть. Обратная же сторона затвердела раньше. Поначалу здесь то в одном месте, то в другом возникали каменные островки – этакое подобие «ледяных гор», айсбергов, в морях, омывающих Антарктиду. Они разрастались, соединялись друг с другом. И вот уже весь океан с обратной стороны Луны оделся камнем, как льдом.

В ту эпоху наш уголок Солнечной системы переживал один из тяжелейших периодов в своей истории. Земля и соседние с ней планеты – Марс, Венера, Меркурий, Луна – подверглись одновременной и чудовищной бомбардировке астероидами и кометами. Следы той «звездной войны», разыгравшейся около 3,9 миллиарда лет назад, и поныне носит Луна, вечно отворачивая от нас свой лик, «изуродованный многочисленными оспинами», как сказали бы в старину.

Самая крупная из этих незаживающих ран – кратер Эйткен, расположенный в районе Южного полюса Луны. Его диаметр – около 2500 километров, а глубина – почти 13 километров. Напоминают о той давней эпохе и лунные горы, взметнувшиеся ввысь на 6000 метров. В отличие от Анд или Альп, они росли не миллионы лет, а считаные секунды! Они образовались после падения на Луну громадных астероидов, несшихся со скоростью в десятки тысяч километров в час.

Пару лет назад, размышляя о древнейшей истории Луны, французские астрономы Марк Вечорек и Матьё Лефевр даже выдвинули гипотезу о том, что в пору «космической бомбежки» соседняя планета пережила удар такой силы, что совершила уникальный кульбит. По их мнению, в то время Луна взирала на Землю именно своей ярко-светлой «обратной стороной». Ход рассуждений, предварявший их гипотезу, таков. Приступая к анализу расположения лунных кратеров, мы вправе были бы ожидать, что в западной части Луны, – если смотреть с Земли, – их будет больше, чем в восточной (расчеты показывают, что их будет больше примерно на треть). Ведь эта часть Луны – можно прибегнуть к такому сравнению – ее «лобовое стекло». Сюда чаще должны врезаться метеориты, поскольку, кружа близ нашей планеты, Луна всегда устремлена вперед именно этой своей половиной. Точно так же, если развивать сравнение, к которому мы прибегли, в лобовое стекло автомобиля во время дождя попадает больше капель, чем в заднее стекло. Здесь же ожидания подтвердились отчасти. В западной части Луны действительно больше кратеров, чем в восточной, – но только молодых, тех, что образовались менее 3,9 миллиарда лет назад. С более древними кратерами получилась обратная картина. Поэтому исследователи и предположили, что около 3,9 миллиарда лет назад Луна пережила такое страшное столкновение с астероидом, что в последующие несколько десятков тысяч лет ее развернуло на 180 градусов. С тех пор «белое» стало «темным», а Луна заняла свое нынешнее положение.

Как бы то ни было, на видимой нами стороне Луны жидкая магма еще долго изливалась сквозь многочисленные трещины в поверхностных породах и растекалась, заполняя обширные впадины. Эти темные базальтовые отложения вулканических пород и доныне остаются особой приметой нашей «ночной спутницы». Изобилие, Спокойствие, Ясность – их на Луне с лихвой хватило на целые «моря», как, впрочем, и Кризисов, Дождей, Холода. Почти треть всей видимой нами поверхности Луны покрыта морями. Почему же подобный геологический механизм не расцветил вкраплениями черных пятен «темную сторону Луны», не сделал ее «темнейшей»? Ученые не знают ответа на этот вопрос вот уже более полувека. Все, что нам остается пока, лишь догадки.

Может быть, все дело в том, что с той стороны Луны, которой она никогда не поворачивается к Земле, лунная кора более мощная? Там она вдвое толще, чем на видимой стороне Луны; там ее толщина достигает примерно 150 километров. По-видимому, магматическим потокам нелегко было пробить эту «броню», пролиться морем на твердь. Ясность должны внести новые лунные экспедиции.

В августе 2011 года планетологи из Бернского и Калифорнийского университетов предложили новое объяснение этому парадоксу. По их гипотезе, поначалу у Земли было два спутника – Луна и еще одна небольшая планета. Ее диаметр составлял 1200 километров, а масса – примерно 4 % лунной массы. Компьютерная модель показывает, что эта система просуществовала в равновесии около 100 миллионов лет, пока оба спутника Земли наконец не столкнулись друг с другом. Крохотный спутник буквально «расплющился» по обратной стороне Луны. Именно поэтому ее кора заметно толще, чем кора передней стороны.

…Исследования Луны любопытны еще и потому, что эрозионные процессы выражены там значительно слабее, чем на Земле. Там сохранилось гораздо больше свидетельств, относящихся к далекому геологическому прошлому Луны – к ее древнейшему периоду истории. У нас на Земле все эти следы прошлого давно исчезли в недрах планеты. Между тем не стоит забывать, что Луна – это часть Земли, она «родилась из ее ребра». Многое из того, что мы хотели бы узнать о «юных летах» Земли, мы могли бы спросить у Луны. Чем больше мы постигаем ее, тем больше понимаем и нашу собственную планету.

Таинственная геология Луны: магнитное поле, извержения вулканов, сейсмическая активность

Одна за другой к Луне устремляются автоматические станции. Всякий раз они прибывают к планете, которую мы, оказывается, не знаем. Мы побывали на ней, но не добыли всех ее секретов. Как ученым прошлого, жившим до покорения космоса, нам впору задаться вопросом: «Что же такое Луна?»

Например, анализ лунных камней, доставленных на Землю, показал, к удивлению многих астрономов, что они намагничены. Луна обладала магнитным полем? Обладает им? Откуда оно взялось?

Величина этого магнитного поля значительно – раз в 50 – меняется в различных областях Луны. В любом случае, по своим параметрам оно намного уступает магнитному полю Земли. Это коренится в фундаментальной разнице между природой магнетизма на обеих планетах.

На Земле оно существует повсюду, поскольку у нее есть собственная «динамо-машина», создающая это поле. Ядро нашей планеты пребывает в частично жидком состоянии. Там, на глубине от трех до пяти тысяч километров, происходит непрестанное перемешивание его расплавленного вещества. Как следствие, в ядре вырабатывается электрический ток, что и приводит к возникновению магнитного поля.

На Луне источником магнетизма является теперь ее кора, то есть поверхность планеты. Это – остаточное явление, напоминающее о далеком прошлом. Что-то вроде русла пересохшей реки, контура снесенной постройки. Генератор, создававший поле, давно приостановил работу, а лунная кора все еще сохраняет магнитные свойства.

Фото лунного вулкана, снятого американской космической станцией «Лунар Орбитер IV»

Когда-то, – по крайней мере 4,2 миллиарда лет назад – недра Луны тоже были жидкими. По мере того, как она остывала, образовавшиеся породы сохраняли важную мету – остаточную намагниченность. Новейшие приборы позволяют ее выявить.

Но, может быть, ядро Луны до сих пор пребывает в жидком состоянии? Подобным вопросом продолжают задаваться некоторые исследователи. Тут догадка строится на догадке. Априори ученые считают, что Луна обладает твердым металлическим ядром, но, на самом деле само его существование окончательно не доказано. И уж понятно, что гипотеза о «жидком ядре Луны» еще менее подкреплена фактами.

Пока известно одно. Если у Луны есть ядро, то его радиус составляет от 300 до 425 километров. На его долю приходится 2–4 % массы планеты. А вот жидкая ли она, эта сердцевинка, или давно затвердела, этого ученые на сто процентов не знают. Даже на таком крохотном участке Луны остается еще много места для различных гипотез.

На Земле вулканы встречаются повсюду, на всех континентах. А на Луне?

На протяжении почти всей своей истории Луна проявляла заметную вулканическую активность. Первые извержения начались более 4 миллиардов лет назад. Свидетельством тех событий является, например, море Дождей (оно образовалось около 3,9 миллиарда лет назад). Его темный овал занимает обширную часть северного полушария Луны. По дну этой впадины протянулись громадные лавовые потоки – они значительно длиннее, чем на Земле, хотя растекались они не по горному склону, а по равнинному участку. В отдельных случаях потоки расплавленной породы простерлись на 1200 километров, прежде чем затвердели. Очевидно, вязкость лунной лавы была гораздо ниже, чем на Земле. Лава текла как ртуть.

Следы вулканической активности на соседней планете широко распространены. Базальтовые породы покрывают до 17 процентов ее поверхности. Когда же на Луне погас последний вулкан? Ученые продолжают спорить об этом. Так, немецкий планетолог Харальд Хизенгер полагает, что в отдельных районах Луны вулканические извержения прекратились лишь около 1,2 миллиарда лет назад. С тех пор настало затишье. Лишь удары метеоритов легкими штрихами меняли рельеф Луны, исподволь перерисовывали его. Но почему эта крохотная каменная глыба, еженощно сопровождающая наши мечтания, оцепенела так поздно? Почему она бурлила на протяжении почти трех миллиардов лет? Пока об этом остается только гадать.

Внимание ученых, исследующих рельеф лунной поверхности, давно, например, привлекают странные борозды (рилли), напоминающие каналы. Некоторые астрономы полагали, что это следы водных потоков, которые проносились когда-то по равнинам Луны. В 1971 году экипаж корабля «Аполлон-15» совершил посадку близ одного из таких «каналов» – ущелья Хэдли, протянувшегося на 80 километров. Его ширина достигает почти километра, а глубина – трех сотен метров. После «полевого исследования» астрономы убедились, что по этому каньону никогда не струился речной поток. Здесь растекалась жидкая лава. Подобно ревущей горной реке, она прорыла громадное русло в толще лунной пыли. Похоже, под отвердевшей позднее коркой ее вязкий поток какое-то время еще сохранял текучесть. Ученые полагают, что в лунных недрах встречаются полости, где по-прежнему бурлит не успокоившаяся лава.

«С геологической точки зрения, Луна мертва» – эта догма опровергнута исследователями. Американские астронавты, не раз бывавшие на этой планете, оставили там разные приборы, в том числе аппараты для регистрации сейсмической активности лунных недр.

За восемь лет на Луне было зафиксировано около 13 тысяч землетрясений (точнее уж, селенотрясений). По большей части они зарождались на глубине от 800 до 1000 километров. Сейсмические волны долго не затухали, перекатываясь по лунным недрам от одного до четырех часов. Вскоре ученые подметили любопытную особенность. Периодически активность лунных недр нарастала. Эти циклы сейсмических всплесков, наблюдавшихся на Луне, отчетливо соотносились с периодичностью ее движения вокруг Земли, то есть с месячными циклами.

Очевидно, сейсмическая активность Луны обусловлена действием приливных сил, создаваемых Землей? Ученые пока не готовы так категорично отвечать на этот вопрос. Возможно, Земля лишь оказывается той «соломинкой, что ломит верблюда»: эти сотрясения лунных недр рано или поздно произошли бы само собой; наша планета лишь ускорила неизбежное.

Но теперь, зная, почему нарастает сейсмическая активность на Луне, мы вправе задаться обратным вопросом: а не влияют ли приливные силы, создаваемые Луной, на удары подземной стихии, ощущаемые уже на нашей планете? Ведь эти силы не только управляют вечной чередой приливов и отливов в Мировом океане, но и слегка деформируют земную кору.

Так неужели крохотная Луна, которая весит-то раз в 80 меньше Земли, может вызывать настоящие землетрясения? Большинство геофизиков отрицательно отвечают на этот вопрос. Ученые не раз пытались найти взаимосвязь между чередованием приливов и отливов, с одной стороны, и сейсмической активностью нашей планеты, с другой. Убедительного ответа нет.

Проведенный недавно анализ статистики сейсмической активности на Суматре, к слову, показал, что вплоть до декабря 2004 года, когда произошло знаменитое цунами, вызванное подводным землетрясением, некоторая взаимосвязь между сейсмической активностью и морскими приливами здесь наблюдалась. Но после того памятного события никакой корреляции вновь не удается заметить. И все же некоторые ученые не перестают подозревать в «тайных кознях» Луну, ласково глядящую на нас с небес, но в то же время раскачивающую воду в морях и почву у нас под ногами. Но как уличить эту «двурушницу»? И когда ее влияние бывает особенно опасным? Мы не в силах разобраться с этим даже в повседневной жизни, хотя где только ни пытаемся приметить власть полной Луны!

Есть ли вода на Луне?

Когда мы всматриваемся в фотографии, сделанные астронавтами, побывавшими на Луне, мы видим перед собой лишь безжизненную даль. Серую пыль. Сушь. Долгое время планетологи полагали, что Луна засушливее любой пустыни, что там нет ни капли воды. Если она и попадала на лунную поверхность вместе с кометами, то давно испарилась и улетучилась в космическое пространство, поскольку в дневные часы лунная поверхность разогревается до 130 °C.

Лишь в 1990-е годы давняя догма была поколеблена фактами. Спектрометр одного из американских зондов зафиксировал над полюсами Луны водород. Некоторые ученые предположили тогда, что на дне кратеров, расположенных в окрестности полюсов, мог скопиться лед, принесенный кометами, ведь солнечные лучи никогда не заглядывают туда. Там царит вечная ночь. Так, температура на дне кратера Эрмита составляет —248 °C. По гипотезе астрономов, когда ультрафиолетовое излучение, испускаемое Солнцем, достигает льда, громоздящегося в подобных провалах, оно вырывает атомы водорода из молекул воды. Их и заметил спектрометр.

Эта гипотеза встретила немало возражений. Но недавние открытия подтверждают ее. Усовершенствованные методы анализа позволили разглядеть в «мертвых глыбах» то, что и не надеялись обнаружить ученые. Следы воды. В каменный шар Луны, припудренный пылью, словно вдохнули жизнь.

Важнейший эксперимент был проведен 9 октября 2009 года. Американский зонд LCROSS врезался в кратер Кабеус в районе Южного полюса Луны. Речь шла о запланированном маневре – о поиске воды таким необычным способом. Если бы в облаке пыли, взметнувшемся над планетой, были капли воды, они вряд ли ускользнули бы от внимания астрономов.

Год спустя была обнародована подробная статистика эксперимента. Как сообщил в октябре 2010 года журнал «Science», дно кратера Кабеус примерно на 5,6 % состоит из водяного льда. Среди 4–6 тонн материала, разметанного взрывом, приборы зафиксировали примерно 155 килограммов водяного пара.

Откуда же на Луне взялась вода? Как часто пополняются ее запасы? Только ли в кометах дело? Ряд астрономов полагает, что здесь регулярно выпадают своего рода осадки. Вот как это можно представить себе. Над Луной, практически лишенной атмосферы, постоянно веет солнечный ветер. Он приносит сюда положительно заряженные ионы водорода. Соединяясь с атомами кислорода, содержащимися в лунном грунте, они образуют молекулы воды, пополняя ее запасы, которых, очевидно, немало на Луне. Впрочем, весной 2010 года в лабораторных условиях так и не удалось воспроизвести этот процесс. Похоже, верх берут сторонники другой гипотезы, которые считают, что на поверхность Луны непрестанно оседают «микрокометы» – пылинки, пропитанные льдом.

Запасов воды на Луне больше, чем могли предположить даже оптимисты. Очень любопытные сведения собрал индийский зонд «Чандраян-1», отправившийся к Луне в октябре 2008 года. В частности, он составил карту минералов, характерных для лунной поверхности.

Так, в полярных регионах и некоторых других областях планеты обнаружились минералы, содержащие молекулы воды и гидроксильных групп (Н2О и ОН). Очевидно, в лунном грунте тоже содержится водяной лед. Это открытие было сделано в конце 2009 года, но даже тогда ученые осторожно предположили, что количество воды на Луне весьма невелико. «Когда мы говорим о запасах воды на Луне, мы имеем в виду не моря или океаны, даже не лужи», – подчеркнул американский астроном Карл Питерс. Нет, речь идет о молекулах воды, которые присутствуют в верхнем слое лунного грунта – слое толщиной всего в несколько миллиметров. По первоначальной оценке, в горных породах Луны одна молекула воды приходилась на миллиард других молекул.

Снимок лунного кратера, обработанный в лаборатории НАСА. Темные пятна в левой части отмечают минералы, предположительно содержащие воду

Отдельный разговор – о полярных регионах. Здесь мы имеем дело с настоящим льдом. В начале 2010 года, анализируя сведения, переданные ранее зондом «Чандраян-1», американские ученые обнаружили огромные запасы водяного льда близ Северного полюса Луны. Лед скопился на дне сорока здешних кратеров, чей диаметр составляет от 1,6 до 15 километров. По оценке ученых, речь может идти о 600 миллионах тонн льда. Очевидно, именно с полярных регионов начнется освоение первой доступной нам планеты в бескрайнем космическом пространстве. «Теперь мы можем с определенной долей уверенности сказать, что люди могут длительное время оставаться на Луне», – так прокомментировал это открытие один из его авторов, американский астроном Пол Спудис.

А уже через несколько месяцев на страницах журнала «PNAS» («Proceedings of the National Academies of Sciences») был опубликован отчет Фрэнсиса Маккаббина и его коллег из Института Карнеги. Они проанализировали образцы лунных пород, доставленные на Землю американскими астронавтами, участниками программы «Аполлон». Из статьи явствовало, что воды на Луне в сотни (а может быть, и в тысячи) раз больше, чем считалось прежде. Возможно, она встречается всюду, а ее содержание составляет примерно 5 молекул воды на миллион других молекул.

Внимание этих исследователей привлекли апатиты, образовавшиеся при кристаллизации магмы (долгое время после своего возникновения Луна была покрыта целым океаном жидкой магмы). А поскольку этот процесс может происходить лишь в присутствии воды, ученые предположили, что вода на Луне была всегда – с самого ее рождения. В таком случае она играла важную роль и в вулканических извержениях, бушевавших на Луне в далеком прошлом. На Земле, когда раскаленная лава минует породы, содержащие воду, та моментально испаряется, превращаясь в пар, и тогда наблюдаются особенно мощные извержения. Быть может, подобное происходило и на Луне.

Существенный недостаток этой работы заключается в том, что ее выводы основаны лишь на анализе… двух образцов лунной породы, доставленных на Землю. Оппоненты справедливо замечают, что для того, чтобы определить количество воды на Луне, нужно исследовать куда большее число образцов.

Вскоре со страниц журнала «Science» последовала резкая отповедь. Ученые из университета штата Нью-Мексико в Альбукерке, в частности, геохимик Закари Шарп, решительно отвергли выводы коллег из Института Карнеги. Из расчетов Шарпа явствует, что содержание водорода в лунных недрах примерно в 10—100 тысяч раз ниже, чем на Земле. Вода – это продукт реакции водорода с кислородом. Нет водорода, нет и воды.

Что же касается следов воды, которые обнаружены – несколько десятилетий спустя! – в пробах, доставленных астронавтами, их наличие можно объяснить тем, что пробы были загрязнены уже здесь, когда их исследовали. Так создалось впечатление, что недра Луны изобилуют водой.

Особый скепсис вызвало известие о том, что вода на Луне была всегда. Почему она не превратилась в пар и не улетела в космическую даль в пору бурного рождения Луны – при столкновении с Землей страдалицы-планеты Тейи? Принято считать, что при той космической катастрофе все легкие и летучие элементы, в том числе вода, испарились. Но, может быть, не вся вода улетучилась? Или же за многие десятки миллионов лет, минувших с первого дня творения Луны, кометы, падавшие на нее градом, успели нанести немало воды – достаточно, чтобы наши приборы заметили ее следы?