Прекрасна Селена

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 64

Наші предки з незапам’ятних часів обожнювали Місяць. Майже всі політеїстичні релігії персоніфікували її як божество жіночої статі — можливо, через збіг періодичності місячних фаз і тривалість менструального циклу. Мінливим ликом Місяця зайнялися і перші астрономи.

Якщо у тебе запитано буде: що корисніше, сонце чи місяць? — відповідай: місяць. Бо сонце світить вдень, коли і без того світло, а місяць — вночі. (Козьма Прутков). Зображення: «Популярна механіка»

Початки наукового розуміння природи Місяця сформувалися задовго до винаходу телескопа. Ще давньогрецькі мислителі бачили в ній шароподібне тіло, що обертається навколо Землі і світить відображеним сонячним світлом. У III столітті до нашої ери великий астроном Аристарх Самоський вирахував, що відстань між Місяцем і Землею становить 60 земних радіусів (результат Аристарха виявився дивовижно точним — насправді воно коливається між 55 і 63 радіусами). У темних областях місячного диска греки бачили водойми, а в світлих — сушу. Звідти і пішла традиція називати морями місячні зони, що володіють найменшою відображальною здатністю.

Галілео Галілей, який першим направив у небеса зорову трубу, склав і перший звіт про телескопічні спостереження Місяця, який представив в опублікованій 1610 року книзі Siderius Nuncius. 32-кратне збільшення його інструменту дозволило встановити, що поверхня нашого супутника покрита горами і сплякана поглибленнями. Галілей утримався від їхнього найменування, але в середині XVII століття це почали робити інші астрономи. Саме в ті часи виникла традиція називати місячні кратери на честь знаменитих вчених, залишаючи за морями право на піднесено-поетичні титули. Її заклали астрономи Джованні Баттіста Річовіолі і Франческо Грімальді, чия місячна карта була опублікована в 1651 році. Саме тоді з’явилися кратери Тихо, Гіппарха, Коперника і Архімеда, море Дощів і море Спокою.

Імена земні та місячні. Зліва — карта Йоганна Гевеліуса (1647), який називав деталі місячної поверхні згідно із земними географічними назвами. Справа — більш звична нам карта Джованні Річовіолі (1651). Зображення: «Популярна механіка»

У міру прогресу телескопобудування вдосконалювалася і місячна картографія. Найвищим досягненням на цьому шляху стала публікація «Фотографічного місячного атласу», який у 1960-х роках підготували фахівці Арізонського університету та американських ВПС.

Дивний супутник

Земля з її супутником у Сонячній системі виглядає досить екзотично. Незрозуміло, наприклад, чому Місяць всього в 81 раз легше Землі. Титан, найбільший із супутників Сатурна, по масі поступається планеті-господині майже в 5000 разів, інші ж подібні показники ще менше. До того ж момент імпульсу системи Земля-Місяць перевершує момент імпульсу будь-якої іншої пари «планета-супутник». І нарешті, шлях Місяця не лежить ні в площині екліптики, ні в екваторіальній площині Землі, в той час як місячна вісь майже перпендикулярна площині екліптики. Все це виглядає досить дивно. Незвичайна і місячна орбіта. Це не еліпс, як випливає із законів Кеплера, а спіраль, що повільно розкручується. На початку XIX століття це передбачив великий французький математик П’єр Сімон Лаплас. Міркував він просто. Місячні припливи гальмують обертання Землі, проте повний кутовий момент всієї пари зберігається. Отже, Місяць повинен збільшувати свій момент, безперервно йдучи на більш високі орбіти. Механіка цього процесу давно пояснена. Приливні хвилі змінюють розподіл мас на земній кулі, в результаті чого у земного тяжіння Місяця виникає компонента, спрямована за дотичною до місячної траєкторії. Внаслідок того ж приливного тертя обертання Місяця синхронізовано з її поводженням навколо Землі і місячний день приблизно дорівнює земному місяцю (тому Місяць завжди звернений до Землі однією півкулею). Ця синхронізація, швидше за все, відбулася в часи, коли Місяць повністю або частково перебував у розплавленому стані. Швидкість радіального зміщення Місяця була вимірена за допомогою лазерної локації, вона становить приблизно чотири сантиметри на рік. Звідси випливає, що в далекому минулому Місяць розташовувався набагато ближче до Землі. Будь-яка реалістична теорія походження Місяця повинна пояснити і цю обставину.

Сріблястий лик

У XIX столітті на допомогу науці про Місяць прийшла фізика. Близько двохсот років тому Франсуа Араго зауважив, що місячному світлу притаманна слабка лінійна поляризація, яку він приписав впливу місячної атмосфери. Зараз ми знаємо, що повітря там немає зовсім, так що це пояснення в корені невірно. Левова частка місячної поверхні вкрита дрібно подрібненими породами, розбитими незліченними ударами невеликих метеоритів. Цей товстий шар, який називається реголітом, поляризує відображене сонячне світло.

Наявність реголіту пояснює ще одну унікальну особливість місячного блиску. Фотометричні вимірювання показують, що яскравість повного Місяця перевищує яскравість половинної зовсім не вдвічі, а в одинадцять разів! Звідси випливає, що відбивна здатність місячної речовини різко зростає, якщо кут падіння сонячних променів наближається до вертикалі. Причина цього ефекту полягає в тому, що частинки реголіту спрощені безліччю тріщин, в яких втрачається значна частина падаючого світла. Це поглинання мінімальне, якщо спостерігач дивиться з боку, звідки падає промінь, що якраз і відбувається в повний місяць. При радіолокаційному скануванні Місяця цей ефект відсутній, оскільки довжина хвилі радарного променя багато більше величини тріщин.

Якщо вже про це зайшла мова, слід згадати ще одне цікаве явище. Реголіт поглинає більше 90% сонячного світла, так що насправді він чорний, як вугілля. Однак він сильно розсіює все, що не вдалося поглинути, через що ми можемо милуватися сріблястим сяйвом Місяця, прославленим легіонами поетів.

Припливи і відливи. Саме Місяць є основною причиною утворення приливних явищ на Землі. Залежно від фази Місяця приплив може бути квадратурним (найбільш низький) і сигізійним (найбільш високий). Причина — у взаємному становищі Землі, Місяця і Сонця. Зображення: «Популярна механіка»

Місячні кратери

У XVIII столітті астрономи досягли чималих успіхів в описі руху Місяця, але розуміння специфіки місячного рельєфу і насамперед наявності безлічі кратерів прийшло набагато пізніше. Довгий час фантазія дослідників не йшла далі примітивних земних аналогій — в основному в дусі теорії вулканізму. Це природно, оскільки місячні кратери в полі зору телескопа схожі на вулканічні кальдери. Лише 1824 року німецький астроном Франц фон Груйтуйзен здогадався, що вони мають метеоритне походження. Гіпотеза була блискучою, але пояснення виявилося неправильним. Груйтуйзен стверджував, що метеорити проміняють місячний ґрунт і йдуть у глибину. Оскільки більшість цих тіл падає аж ніяк не вертикально, левова частка кратерів начебто зобов’язана мати еліптичні обриси, а насправді вони круглі.

Метеоритна модель довгий час існувала як смілива ідея без експериментального обґрунтування, і її поділяли лише деякі вчені (слід зазначити, що в 1921 році її рішуче підтримав німецький геолог Альфред Вегенер, батько теорії дрейфу континентів). Вона була остаточно доведена лише в середині минулого століття. Переважання круглих кратерів знайшло пояснення, коли вчені зрозуміли, що метеорити при ударі об поверхню Місяця вибухають і пробивають місячні породи ударною хвилею. Експерименти показали, що в таких умовах кратери залишаються круглими, якщо кут падіння не перевищує 80-85 °.

Місяць коротко

Вік Місяця надійно визначений радіоізотопним методом і практично збігається з земним — близько чотирьох з половиною мільярдів років. Вже згадувалося, що місячна поверхня складається з «морів» і «земель». Останніх куди більше, вони займають 84% місячної площі. За допомогою космічних апаратів встановлено, що «моря» (які з поки невідомої причини майже повністю зосереджені на видимому боці Місяця) являють собою гігантські ударні кратери, заповнені базальтами, що сформувалися при охолодженні магми, яка прорвалася з глибин. «Землі» розташовані вище «морів» і покриті численними гірськими хребтами. Через повну відсутність повітря поверхня Місяця вдень розігрівається в середньому до 107 ºС, а в нічний час зазвичай остигає до мінус 153 ^.

Будова Місяця багато простіше земного. Вона вкрита досить тонкою корою, середня товщина якої становить близько 70 кілометрів. Приблизно на три чверті кора складається всього з трьох елементів — кисню, кремнію та алюмінію. Вона покоїться на частково розплавленій мантії, під якою може перебувати залізо-сірчисте ядро радіусом 350-400 кілометрів, існування якого, втім, поки не доведено. На відміну від Землі, Місяць позбавлений планетарного двополюсного магнітного поля, проте його породи зберігають слабкий залишковий магнетизм.

На місячних «землях» є несмітна кількість давно погаслих вулканів. Є всі підстави вважати, що колись Місяць був одягнений океаном лави як мінімум п’ятисоткілометрової глибини, який з часом охолов і кристалізувався. Місяць виявляв досить високу тектонічну і вулканічну активність протягом перших 600 млн років свого існування. Цю активність посилювали і метеоритні бомбардування, інтенсивність яких значно знизилася, коли вік Місяця досяг 800 млн років. До цього часу місячні катаклізми внутрішнього походження теж пішли на спад і ще через 300 млн років практично припинилися. Правда, вулканічні виверження все-таки ще відбувалися — як вважається, востаннє близько 800 млн років тому (втім, це лише припущення). Відтоді Місяць серйозно коливають лише удари великих метеоритів (які можуть пробити кору і викликати викид лави з мантії) і приливні сили Землі і Сонця.

Перші кроки

Наступного року виповниться 50 років відтоді, як Місяць почали досліджувати за допомогою космічних апаратів. Піонером у цій справі був Радянський Союз. Перших три лунники запустили з Байконура у вересні, жовтні і грудні 1958 року, проте їх загубили через аварії ракет-носіїв. У 1959 році пішли в космос ще чотири автоматичні станції, запрограмовані на жорстку посадку (фактично падіння) на Місяць. Одна з них знову-таки загинула під час вибуху ракети, але іншим пощастило більше. «Місяць-1» проскочив повз ціль, але зате перетворився на перший у світі штучний супутник Сонця. «Місяць-2» врізався в місячний реголіт 13 вересня, а «Місяць-3» через місяць відправив на Землю знімки зворотного боку Місяця.

Першим американським апаратом, що сфотографував перед падінням на Місяць її поверхню, був зонд Ranger-7, який виконав це завдання 31 липня 1964 року. А перша м’яка посадка на поверхню нашого супутника була здійснена знову-таки радянською станцією «Місяць-9» 3 лютого 1966 року (на три місяці раніше, ніж це зробив американський Surveyor-1). Нарешті, у квітні 1966 року «Місяць-10» став першим місячним супутником і до припинення зв’язку встиг накрутити 460 витків.

Найвищими досягненнями в історії місячної космонавтики стали експедиції американських кораблів Apollo-11, Apollo-12 (1969 рік) і Apollo-14, 15, 16 і 17 (1971-1972), в результаті яких на Землю було доставлено близько 400 кг породи, взятої з різних ділянок видимого боку Місяця. СРСР у 1970-1976 роках послав до Місяця і на Місяць ще десять станцій. Одна з них загинула під час запуску, і ще три не змогли здійснити свої програми. «Місяця» з номерами 16, 20 і 24 повернулися на Землю зі зразками мінералів, «Місяць-17» і «Місяць-21» доставили за призначенням два самохідних апарати-луноходи, «Місяць-22» провів серію досліджень на навколомісячній орбіті.

Місячні надра

Згідно з сучасними уявленнями, Місяць має відносно тонку кору — близько 60 км на стороні, зверненій до Землі, до 150 км — на протилежній. Така різниця утворилася за рахунок приливних сил, що діяли мільйони років, ці ж сили синхронізували обертання Місяця навколо своєї осі з її обертанням навколо Землі — за рахунок цього Місяць завжди звернений до Землі однією стороною. Під корою знаходиться тверда літосфера — верхня частина місячної мантії товщиною близько 1000 км. Ще глибше лежить 400-кілометрова нижня частина мантії — відносно м’яка і гаряча астеносфера. І нарешті, в центрі, ймовірно, знаходиться 350-кілометрове ядро (існування його поки не доведено)

Друга хвиля

Загалом у 1958-1976 роках СРСР і США здійснили 58 місячних місій, вдалих і невдалих. А потім місячна програма занурилася в довгу сплячку. Через багато років її перервала Японія, в січні 1990 року вивівши на навколоземну орбіту 197-кілограмову станцію Hiten (у перекладі з японської «Літаючий ангел»), яка запустила до Місяця невеликий апарат Hagoromo. Можливо, він досяг мети, але через поломку радіопередавача не зміг про це повідомити. Тоді в центрі управління вирішили відправити до Місяця саму станцію, причому за дуже хитрим багатомісячним маршрутом, так званим низькоенергетичним трансфером, розробленим американським фахівцем з небесної механіки Едвардом Белбрано (для розгону по стандартному шляху не вистачало палива). Hiten зійшов з кругової орбіти навколо Землі 24 квітня 1991 року і на початку жовтня перетворився на супутник Місяця. Особливих наукових результатів ця місія не принесла, бо на борту станції був лише лічильник космічних частинок, який не зареєстрував нічого цікавого. За командою з Землі 10 квітня 1993 року «Літаючий ангел» врізався в Місяць.

США відновили місячні польоти через 22 роки після завершення програми Apollo. 25 січня 1994 року до Місяця з авіабази Ванденберг вирушив 227-кілограмовий зонд Clementine з лазерним альтиметром, детектором заряджених частинок і п’ятьма відеокамерами, що працюють в різних діапазонах ІК-, видимого і УФ-світла. 20 лютого він вийшов на навколомісячну орбіту, зробив 330 витків і відправив на Землю 2,5 млн оцифрованих знімків. 3 травня зонд звели з орбіти для рандеву з астероїдом 1620 Географос, але маневр не вдався, і він пішов навіки кружляти навколо Сонця.

Цей американський лунник провів детальне картування всієї поверхні Місяця і (що стало великою сенсацією) зібрав дані, які вказували на наявність льодів у глибоких кратерах поблизу південного полюса. Через чотири роки його наступник Lunar Prospector за допомогою нейтронного спектрометра начебто помітив крижані поклади поблизу обох полюсів. Однак ці результати допускають різні інтерпретації, тому питання про існування місячного льоду досі залишається відкритим.

Звідки взявся місяць

Найновіша модель утворення Місяця — модель нецентрального мегаімпакту. Зображення: «Популярна механіка»

До недавнього минулого всі ці теорії можна було підрозділити на три сімейства. У 1878 році англійський астроном Джордж Дарвін (син Чарльза Дарвіна) висловив гіпотезу, згідно з якою незабаром після народження нашої планети сонячні припливи відірвали від напівжидкою Землі неабиякий шматок і кинули його в простір.

Модель відриву з часом була розвинена в декількох варіантах, проте жоден з них не зміг пояснити співвідношення мас 1:81, яке існує насправді. А після польотів «Аполлонів» цій гіпотезі підставили ніжку і геохіміки. Якщо Місяць відірвався від земної мантії, то чому в його породах містяться більш високі концентрації титану та інших тугоплавких елементів?

Друга група — теорії захоплення. Першу модель такого роду запропонував у 1909 році вельми ексцентричний (він не просто відкидав теорію відносності, але вважав її глибоко аморальною!) американський астроном Томас Джефферсон Джексон Сі. Він вважав Місяць блукаючим планетоїдом, полоненим земним тяжінням. Ця ідея проіснувала в різних версіях до середини XX століття. Її поховали результати обчислень, які довели, що Земля ні за яких мислимих обставин не могла погасити швидкість Місяця до такої міри, щоб звести її з навколосовельної траєкторії.

Третя група — моделі бінарної аккреції. Вперше таку теорію висунула в 1960-ті роки Євгенія Рускол, а пізніше — і американські планетологи. Ця теорія стверджує, що в активній фазі зростання Землі навколо неї з речовини протопланетної хмари утворився рій дрібних частинок і невеликих тіл, який досить швидко згустився і поклав початок Місяці. Ці моделі непогано інтерпретують багато відмінностей у хімічному складі Землі і Місяця (наприклад, дефіцит місячного заліза), пояснюючи їх специфікою формування рою і переробкою його речовини при подальших множинних зіткненнях. Однак у рамки цих моделей погано вкладається дефіцит місячного водню та інших летючих елементів.

Новітні дослідження

Три останні місячні місії здійснили вже в нашому столітті. 27 вересня 2003 року Європейське космічне агентство відправило до Місяця експериментальний корабель SMART-1 з плазмовим маршовим двигуном, що працює на ксеноні. Як і Hiten, він рухався низькоенергетичною трансферною траєкторією і наприкінці листопада 2004 року вийшов на сильно витягнуту полярну навколомісячну орбіту. Звідти він розгледів чимало цікавого, зокрема виявив, що поблизу полюсів підвищена концентрація вельми рідкісного на Місяці водню і що деякі полярні зони майже постійно освітлені сонцем, чого ніхто не очікував. 3 вересня 2006 року SMART-1 вчинив запрограмоване самогубство тим самим способом, що і японський колега.

А останні два зонди і зараз працюють на благо науки. 14 вересня 2007 року з японського космодрому на острові Танегашима стартував майже двотонний корабель Kaguya. Крім відеокамери високої роздільної здатності і 14 приладів він ніс 53-кілограмовий місячний міні-супутник Ouna і 12 жовтня відстрелив його з навколомісячної орбіти. Під час роботи над цією статтею обидва апарати функціонували штатно (місячного льоду Kaguya поки не знайшов). І нарешті, 24 жовтня китайська ракета «Великий похід-3А» стартувала з 2350-кілограмовою орбітальною станцією Chang’e 1, яка зараз теж крутиться навколо Місяця. Даними, отриманими з її допомогою, китайські астрономи ні з ким поки не діляться. Цього року в дорогу повинні піти і нові лунники. Індія планує відправити на полярну навколомісячну орбіту автоматичну станцію Chandrayaan-1, що несе з десяток приладів і невеликий зонд-імпактор. NASA розраховує запустити ще два апарати, Lunar Reconnaissance Orbiter і Lunar CRater Observation and Sensing Satellite.

Нові моделі

Модель нецентрального мегаімпакту. Зображення: «Популярна механіка»

В останні десятиліття на перше місце вийшла принципово нова модель нецентрального мегаімпакту. Вона була вперше сформульована в середині 1970-х Вільямом Хартманом і Дональдом Девісом, але справжній успіх завоювала на конференції з проблем походження Місяця в гавайському місті Каїлуа-Кона в 1984 році. Згідно з цією теорією, Місяць виник унаслідок косого удару, завданого по новонародженій Землі (точніше, ще прото-Землі) іншою юною планетою з вдесятеро меншою масою. Цей удар сильно розкрутив Землю (ось вам і пояснення аномально великого моменту імпульсу!) і вибив у простір надзвичайно гарячу речовину, яка з часом охолонула і сконденсувалася. Оскільки викинута матерія була запозичена з мантій прото-Землі і планети-імпактора, в ній виявилося трохи заліза, яке встигло сконцентруватися в незачеплених ударом ядрах обох планет. Модель мегаімпакту дає можливість пояснити більше особливостей системи Земля-Місяць, ніж її конкуренти. Проте, на думку одного з найавторитетніших американських фахівців з місячної геології Пола Спудіса, в цьому криється і її слабкість. Справа в тому, що, змінюючи параметри цієї моделі (наприклад, варіюючи характеристики імпактора), можна пояснити практично все що завгодно. Це означає, що модель легко підтвердити, але важко спростувати. Вчені до таких всеосяжних концепцій зазвичай ставляться з недовірою. З іншого боку, професор планетології Гавайського університету Джефрі Тейлор (до речі, організатор конференції в Каїлуа-Кона) в бесіді з «ПМ» підкреслив, що фальсифікація моделі мегаімпакту цілком можлива, тільки для цього необхідно зібрати більш повні відомості про склад місячних порід.