Луна – самое близкое к нам космическое тело, а потому – первый кандидат на освоение. Есть несколько целей, ради которых стоит отправлять к ней экспедиции, строить лунные базы и научные объекты. Одна из таких – использование Луны как площадки для размещения астрофизических обсерваторий.
©Wikipedia
Стоило только человеку получить возможность добраться до Луны, как туда почти сразу доставили телескоп. Первым был сравнительно небольшой UVC (Far Ultraviolet Camera/Spectrograph). Он оказался на поверхности спутника в апреле 1972 года в рамках миссии «Аполлон-16» – пятой и предпоследней высадки людей на Луну. 22-килограммовый инструмент состоял из телескопа и фотокамеры и предназначался для исследования космоса в дальнем ультрафиолете: из всего ультрафиолетового диапазона (от 10 до 400 нм) телескоп регистрировал лишь электромагнитное излучение с длиной волны от 50 до 160 нм.
Как известно, практически все излучение в дальнем и приблизительно 90% в среднем ультрафиолетовом диапазоне поглощается земной атмосферой. Поэтому коротковолновая часть спектра стала доступна астрономам лишь с началом космических полетов. И идея взять с собой телескоп, способный регистрировать излучение именно в дальнем ультрафиолете, была оправдана – ведь Луна не имеет атмосферы.
Чтобы избежать перегрева и устранить солнечные блики, телескоп поместили в тени лунного модуля. На цели его наводили вручную. Камерой сделали 178 снимков, среди которых звезды с видимой звездной величиной до +11, Большое Магелланово Облако и, конечно, небесный объект, который с нашей планеты не увидишь, – сама Земля. Трехдюймовый телескоп представлял собой рефлектор системы Шмидта с полем зрения 20 градусов. Он устанавливался на штатив и имел позолоченный корпус. UVC так и остался на поверхности Луны, недалеко от места посадки лунного модуля «Орион», около небольшого кратера Спук.
Свои возможности предоставляет Луна и для телескопов, работающих в инфракрасном диапазоне. Земная атмосфера пропускает инфракрасное излучение, благодаря которому наша планета получает тепло от Солнца. Но инфракрасные детекторы очень чувствительны, а электронные схемы телескопов создают тепловые шумы. Чтобы избежать их влияния на астрономические измерения, аппаратуру таких телескопов приходится постоянно охлаждать.
Пожалуй, самая известная космическая обсерватория инфракрасного диапазона – орбитальный телескоп «Гершель». В июне 2013 года он официально завершил свою научную миссию и навсегда остался на гелиоцентрической орбите. Четырехлетняя миссия закончилась, потому что космический аппарат исчерпал запас жидкого гелия, который охлаждал инфракрасную ПЗС-матрицу. Испаряясь, гелий удерживал температуру камер телескопа на уровне –271 °C.
Используя природные особенности спутника нашей планеты, можно создать за пределами Земли обсерваторию, которая прослужит человечеству гораздо дольше. С такой идеей выступает Джеймс Бёрк (James D. Burke) из Лаборатории реактивного движения в Пасадене (штат Калифорния, США). Он отмечает, что некоторые лунные кратеры в полярных регионах Луны постоянно находятся в тени. Температурный режим на дне таких кратеров не имеет резких перепадов. При этом средняя температура составляет необходимые –200 °C. Обсерватория инфракрасного диапазона, расположенная в чаше затененного лунного кратера, не потребует использования хладагента и создания криогенных установок, которые пришлось бы доставлять с Земли.
Оптический диапазон включает в себя электромагнитные волны с длиной примерно от 1 нм до 1 мм, в том числе и доступный человеческому глазу видимый диапазон (от 380 до 780 нм). Астрономические обсерватории этого диапазона, размещенные на поверхности Луны, будут иметь значительное преимущество перед земными. Они позволят не только увидеть больше, но и получить более качественные снимки. Отсутствие атмосферы на Луне позволит избежать атмосферных искажений, из-за которых на Земле телескопы стараются строить как можно выше. В результате снимки наблюдаемых объектов будут получаться более качественными.
Кроме того, на Луне очень низкая угловая скорость вращения неба. За выбранным объектом легче следить и снимать его можно с большой выдержкой. Это позволит эффективно наблюдать тусклые объекты, от которых идет мало света. Среди таких объектов – как далекие звезды, так и экзопланеты, которые «светят» отраженным от родительской звезды светом. Все это позволит исследовать спектр таких планет и понять состав окружающей их атмосферы. А следовательно, сделать следующий шаг в поиске обитаемых планет у других звезд.
В связи с этим перед исследователями стоит ряд вопросов, например: как доставить такой телескоп на Луну? будет ли он похож на земные обсерватории? и как лучше использовать возможности нашего спутника?
Свое решение предлагает Питер Чен (Peter Chen) из Центра космических полетов им. Годдарда (США). Как известно, одно из главных препятствий в освоении космоса – высокая стоимость доставки материалов за пределы планеты. Ключевым элементом телескопа-рефлектора, основного типа научных телескопов, является зеркало. Причем, как правило, именно на зеркало приходится основная доля массы всего телескопа. Питер Чен предлагает делать такое зеркало на Луне и из лунных материалов. А единственным доступным нам материалом, во всяком случае, в обозримом будущем, является лунная пыль – реголит.
Диаметр зеркала предлагаемого Ченом лунного телескопа составит 50 м. Для сравнения, самое большое сегментированное зеркало наземного телескопа имеет в диаметре только 10,4 метра (Большой Канарский телескоп, Испания). Самые большие монолитные зеркала у Большого бинокулярного телескопа в штате Аризона (США). Диаметр каждого из его двух параболических зеркал – 8,4 метра.
При этом на Луну потребуется доставить только пару сотен килограммов эпоксидной смолы, несколько килограммов углеродных нанотрубок и совсем немного алюминия для зеркального покрытия. Нанотрубки и смолу смешают с лунной пылью, и, застывая, они образуют заготовку, прочность которой будет сопоставима с бетоном.
Свою технологию Питер Чен и его коллеги продемонстрировали на конференции Американского астрономического общества в Сент-Луисе. Перед присутствующими был поставлен демонстрационный эксперимент. Они взяли небольшое количество углеродных нанотрубок, эпоксидную смолу и смешали их с каменной крошкой, которая по размеру частиц и составу соответствовала лунному реголиту. В итоге получили 12-дюймовую заготовку параболической формы. Такой композитный материал прекрасно может заменить стекло для создания зеркала. Все, что остается, – покрыть заготовку небольшим слоем алюминия.
Разрешающая способность телескопа будет настолько высока, что, по мнению ученых, позволит обнаружить в спектре экзопланет следы озона и метана, являющихся «маркерами жизни». Впрочем, если с созданием заготовки для зеркала все понятно, то как обеспечить сверхточную обработку рабочей поверхности телескопа, авторы изобретения пока не говорят.
Еще одним ответом на поставленные выше вопросы может быть идея установки на Луне телескопа с жидким зеркалом. Изучить возможность создания такого телескопа взялся Роджер Энджел (Roger Angel), профессор Университета Аризоны. Грант на его исследования выделило NASA. Lunar Liquid Mirror Telescope (LLMT) – так будет называться телескоп, который представляет собой широкое вращающееся «блюдце» с находящейся в нем специальной зеркальной жидкостью. В результате вращения поверхность приобретает вогнутую параболическую форму и может служить в качестве зеркала телескопа.
Низкая гравитация нашего естественного спутника позволит создать телескоп с гигантским зеркалом диаметром 100 метров. Как и многие планируемые лунные объекты, его предполагают разместить на южном полюсе Луны.
Что интересно, телескоп подобной конструкции уже построен на Земле. Это – Large Zenith Telescope (Большой зенитный телескоп) с 6-метровым жидким зеркалом. Он расположен в Британской Колумбии. В качестве зеркальной жидкости в нем – жидкая ртуть. Вот только низкотемпературные условия на Луне не позволяют ее использовать, так как жидкий металл замерзает уже при –38°С. Сейчас ученые в поисках нового «наполнителя», пригодного для лунных телескопов.
Но у телескопов с жидким зеркалом есть один недостаток, который сложно исправить и на Луне. Его невозможно наклонить с целью наведения на интересующий объект. Если зеркало отклонить от горизонтального положения, то под действием гравитации его форма исказится, что не позволит проводить астрономические наблюдения. Такие телескопы смотрят строго над собой – в зенит. Неслучайно они называются зенитными.
Впрочем, данный недостаток нельзя назвать значительным. Во-первых, наш естественный спутник вращается вокруг своей оси, поэтому в поле зрения зенитного телескопа будут попадать различные участки неба. Во-вторых, если говорить о наблюдении самых древних и удаленных от нас объектов, то такое ограничение не столь существенно – на больших расстояниях наша Вселенная достаточно однообразна, в каком направлении на нее ни смотри. А наблюдать Роджер Энджел планирует именно древние звезды и галактики, включая самые первые звезды нашей Вселенной.
Национальные космические агентства и частники, только начинающие осваивать космос, испытывают значительный интерес к южному полюсу нашего естественного спутника. Лунная «Антарктида» достаточно часто фигурирует в планах освоения Луны как место размещения лунных баз и высадки исследовательских станций.
Малый наклон лунной оси и рельеф этого полярного региона привели к тому, что в радиусе 50 км от полюса на поверхности имеются участки «вечного» дня и ночи. Это кратеры, куда практически никогда не заглядывает Солнце, и вершины гор, почти всегда им освещенные. Северный полюс, в отличие от южного, таких мест имеет очень много.
А среди вершин южного полюса особенно выделяется гора Малаперт. Это возвышенность высотой около 5000 м в юго-западной части вала древнего и практически полностью разрушенного кратера Малаперт. В течение лунного года вершина горы имеет среднюю освещенность 74%. Это немного, но зато гора находится на видимой стороне Луны и всегда доступна для радиосвязи. И, как следствие, для поддержания связи с установленным на ней телескопом, другим научным прибором и даже обитаемой базой не понадобится запускать на орбиту вокруг Луны орбитальные ретрансляторы. А вот то, что гора практически всегда освещена Солнцем, позволит максимально использовать возможности солнечных панелей, которые будут питать энергией приборы обсерватории.
Именно это место и выбрали частная компания Moon Express и некоммерческая организация International Lunar Observatory Association. В районе кратера Малаперт они решили разместить небольшой оптический телескоп с двухметровой радиоантенной и солнечные батареи. Затраты на воплощение проекта в жизнь оцениваются в 100 млн долларов. При этом есть надежда, что в финансировании расходов поучаствуют частные инвесторы и государственные космические агентства. Реализовать проект планировалось к 2018 году.
Когда-то человечество начинало изучение космоса с телескопов видимого диапазона. А сейчас построены уже десятки практически во всех диапазонах электромагнитного спектра. Единственный участок, пока не доступный для исследований, – сверхдлинноволновой диапазон. Отражаясь от ионосферы, сверхдлинные волны, идущие из космоса, не достигают поверхности Земли. Телескоп, работающий в таком диапазоне, должен находиться за пределами планеты. Но и вывод принимающих антенн на орбиту – тоже не выход. Земля сама является источником сверхдлинноволнового радиоизлучения. Как природного, так и антропогенного происхождения. Защититься от него можно, только если спрятаться в радиотень Луны. Поэтому ставить такой телескоп стóит либо на обратной стороне Луны, либо в одном из кратеров на ее полюсе. Но поддерживать радиосвязь с лунной обсерваторией на обратной стороне Луны придется через спутник-ретранслятор. А это делает проект еще дороже. Если разместить радиообсерваторию в чаше кратера на полюсе, то ретранслятор можно установить на его краю, с которого постоянно будет видна наша планета.
Причем сам телескоп для частот этого диапазона относительно прост. Несмотря на большие размеры, его антенные системы будут представлять собой просто провода, разложенные по поверхности. Их можно будет доставить на Луну в катушках и развернуть на месте.
С идеей сверхдлинноволнового телескопа не раз выступали российские ученые. Один из таких проектов представил заведующий Научно-образовательным центром Института космических исследований РАН, кандидат физико-математических наук Андрей Садовский. Реализация его проекта предполагает несколько этапов. Для начала нужно установить на Луне одну антенну. Посмотреть, как она будет работать, какие сигналы сможет принять и какие радиопомехи на поверхности Луны имеются. В дальнейшем конструкцию предполагается расширять, в конечном итоге доведя до сотни кластеров по десять антенн в каждом. Уже на начальном этапе антенна сможет фиксировать радиовспышки на Солнце.
Но основной целью такого радиотелескопа может стать поиск обитаемых планет. Только если другие лунные обсерватории будут искать маркеры жизни в атмосферах планет за пределами Солнечной системы, то этот будет нацелен на поиск экзопланет, обладающих магнитосферой. Такие планеты потенциально пригодны для жизни. Магнитосфера есть на Земле, и здесь есть жизнь. А вот на Марсе ее нет, и он представляет собой безжизненную пустыню. Магнитное поле Земли защищает планету от высокоэнергетического солнечного излучения и не позволяет ей потерять атмосферу и воду.
Определить наличие магнитного поля и его мощность возможно по авроральному километровому радиоизлучению. Это электромагнитное излучение сверхдлинноволнового диапазона с относительно низкой частотой. Возникает оно в результате взаимодействия магнитосферы планеты и достигающего ее потока звездного ветра.
Среди других научных задач такого телескопа – исследования так называемой эпохи вторичной ионизации. Это позволит построить трехмерную карту Вселенной в линии нейтрального водорода.
Как отмечают ученые, строительство такого радиотелескопа обойдется намного дешевле, чем, например, российской космической обсерватории «Радиоастрон». Вот только реализовать проект можно будет лишь в рамках пилотируемых полетов на Луну.
Если первый доставленный на Луну телескоп наводился на объекты астронавтами вручную, то китайский телескоп ближнего ультрафиолетового диапазона Lunar-based ultraviolet telescope (LUT) стал первым телескопом на поверхности Луны, управляемым дистанционно с Земли. 150-миллиметровый телескоп-рефлектор системы Ричи–Кретьена доставила на Луну в декабре 2013 года китайская автоматическая межпланетная станция «Чанъэ-3». Система Ричи–Кретьена относится к одной из самых распространенных в подобных научных приборах. Так же устроен, например, орбитальный телескоп NASA «Хаббл».
LUT имеет рабочий диапазон 245–345 нанометров. Диаметр главного зеркала – 15 сантиметров. Он способен обнаруживать объекты яркостью вплоть до +13 звездной величины. Его цель – наблюдения галактик, переменных и двойных звезд, новых звезд, квазаров и блазаров, активных ядер галактик.
Луна совершает оборот вокруг нашей планеты за 27 суток, поэтому один и тот же объект можно непрерывно наблюдать в течение десяти дней. Этим и воспользовались ученые из КНР. Благодаря лунной обсерватории китайские астрономы уже сделали ряд интересных открытий. Наблюдая загадочную двойную звезду, известную как V921, ученые обнаружили, что в этой тесной двойной системе, возможно, присутствует и третий, ранее неизвестный, компонент – очень тусклая звезда с периодом обращения, равным 10,2 годам. Его присутствие сыграло важную роль в формировании и эволюции системы V921.
Первые лунные обсерватории должны появиться уже в течение ближайших нескольких десятилетий. Строительство телескопов на поверхности нашего спутника позволит людям больше узнать о Вселенной и открыть новые миры, в том числе потенциально обитаемые. Лунная астрономия – прекрасный повод приступить к освоению спутника Земли. Причина, ради которой человечество сможет на Луну вернуться и остаться там.
