Александр Волков
100 великих загадок астрономии
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?
Стоит добавить, что, как ни пессимистичен в своих выводах Шарп, он не отрицает очевидного. На дне глубоких лунных кратеров имеются запасы водяного льда, и, возможно, они велики. Эта вода станет важнейшим ресурсом для будущих колонистов Луны.
Загадочные вспышки на Луне
Мы привыкли считать Луну мертвой пустыней. Однако некое подобие жизни странно мелькает здесь. Такие явления подмечали исстари.
Так, 18 июня 1178 года пятеро англичан из Кентербери удивленно смотрели на то, как лунный серп, «яко же огонь», воссиял и заискрился: «И зачали раскутаться искры». Монах Гервазий зарисовал увиденное, и потому память об этом зрелище донесена нам через века.
В апреле 1787 года Уильям Гершель, наведя телескоп на темную часть лунного диска, заметил красные пятнышки в одном из кратеров. Их россыпь напоминала извержение вулкана. Три года спустя он разглядел на Луне более полутора сотен красных искорок.
В 1822 году два английских астронома-любителя вновь обнаружили в кратере Аристарх – именно с ним были связаны все упомянутые явления – некие светящиеся пятнышки.
Странные узоры продолжали красить лик Луны и впредь. То по ней пробегали клубы розовой и фиолетовой дымки, то вспыхивали молнии или загорались снопы искр. Эти феномены наблюдались лишь изредка. Они получили название «Lunar Transient Phenomena». Обширный их перечень приведен в книге харьковского астронома Алексея Архипова «Неразгаданные тайны Вселенной», выпущенной издательством «Вече». Отмечено уже более полутора тысяч подобных вспышек.
Некоторые из них длились миллисекунды, самое большее, пару секунд. В других случаях всё продолжалось часами. Заметно разнится и площадь участков Луны, охваченных этими феноменами. Порой это всего лишь точка, сверкнувшая на поверхности Луны, порой – обширная территория, достигающая в поперечнике многих километров.
Некоторые ученые полагают, что, как и в случае с «марсианскими каналами», речь идет об оптическом обмане, вызванном, например, тем, что глаз человека, длительное время наблюдающего в телескоп за Луной, устает, и тогда кажется, что какой-то участок поверхности, например, «вот этот кратер», вдруг начинает ярче светиться или меняется его цвет. Другие скептики считают, что наблюдатели принимают за вспышку отраженный солнечный свет. Третьи говорят о дефектах оптики телескопов, а то и о самолете или спутнике, мелькнувшем на фоне лунного диска.
Снимок таинственной вспышки на поверхности Луны
В ноябре 1958 года очевидцем вспышки в кратере Альфонс стал советский астроном Николай Козырев. Он же впервые провел спектральный анализ этого источника света. В его спектре обнаружился молекулярный углерод. По-видимому, тот выделялся из недр Луны.
Тогда же Козырев предположил, что таинственное свечение может быть связано с не вполне прекратившейся вулканической активностью Луны. По его мнению, многие лунные кратеры возникли не в результате падения метеоритов, а вследствие извержений вулканов. Однако позднее было доказано, что большинство кратеров на Луне образовалось очень давно – около 4 миллиардов лет назад, когда Луна, как и Земля, подверглась форменной бомбардировке. Впрочем, о природе кратера Альфонс (он достигает в поперечнике 117 километров, а его глубина составляет 2,7 километра) ученые продолжают спорить – образовался ли он после удара метеорита или в результате вулканической деятельности.
Исследования, проделанные Козыревым, стали научной сенсацией. Многие астрономы и теперь поддерживают его гипотезу. В принципе Луна давно остыла, и никаких действующих вулканов там не должно быть. Однако в ее недрах могут существовать отдельные магматические очаги. Время от времени оттуда на поверхность планеты вырываются вулканические газы. Они сметают слой реголита – лунной пыли. Эта пыль несколько светлее твердой породы. Она выделяется на ее фоне, а потому окраска поверхности моментально меняется.
В пользу этой гипотезы говорит то, что загадочные вспышки наблюдаются лишь в окрестности нескольких кратеров. Почти треть всех отмеченных в научной литературе случаев вспышек на Луне связана с кратерами Аристарх и Платон. Критики, впрочем, говорят, что эти объекты очень приметны, а потому и астрономы, и особенно любители, чаще всего нацеливают телескопы именно на них. Где наблюдают – там видят!
Кратер Аристарх – это один из наиболее известных лунных кратеров, «самое таинственное место на Луне», как его порой называют. Его диаметр достигает 40 километров, а глубина – 3,7 километра. Он находится в северо-западной части Луны. Это один из самых ярких здешних объектов, его можно разглядеть даже невооруженным глазом. Если же рассматривать его в телескоп, то кажется, что он сверкает на фоне соседних, более темных участков. Расположен он в той области Луны, где довольно заметны следы былой вулканической активности, видны, например, многочисленные борозды и желобки.
В 1960 году свои доводы предложили советские астрономы Константин Станюкович и Виталий Бронштэн. По их мнению, вспышки вызваны падениями метеоритов. Порой эти удары бывают так мощны, что из недр Луны вырывается поток газов, обволакивая место падения, а еще столп пыли, перемешанной с каменьями. Унесенная взрывом пыль – так вот что такое вспышки и блики, видимые на Луне? Похоже, эта гипотеза может объяснить часть наблюдаемых явлений.
Иногда метеориты оказываются не при чем. Под собственной тяжестью оползает стена кратера. Над ней опять веет облако пыли. Чаще всего эти явления наблюдаются в том же кратере Аристарх – там, где Луна ближе всего к земному шару, а значит, сила его притяжения максимальна. Мощная гравитация Земли сминает лунную породу; стены кратера вновь и вновь осыпаются; его впадина растет.
Примечательно и то, что с западной стороны кратера Платон его край на участке протяженностью около 15 километров сполз вниз. Дно этого кратера диаметром 101 километр, а глубиной около километра, как и поверхность лунных морей, покрыта застывшей базальтовой лавой.
У исследователей этого феномена есть еще одно объяснение. В тех районах Луны, где издавна замечали вспышки, астронавты, участвовавшие в «лунной программе» США, зафиксировали выделение из недр планеты радиоактивного газа – радона, а это свидетельствует о продолжающейся там геологической активности.
Как полагают американские астрономы Арлин Кроттс из Колумбийского университета и Питер Шульц из университета Брауна, между этими выбросами газа и таинственными вспышками есть прямая связь. Просачиваясь сквозь трещины в горных породах, струи газа достигают поверхности Луны, покрытой слоем реголита. Какое-то время газ скапливается под толщей пыли, но потом, когда его собирается слишком много, происходит своего рода взрыв, и весь скопившийся газ улетучивается. Поднятая взрывом пыль несколько минут держится над поверхностью Луны, прежде чем снова осесть. Солнечные лучи освещают это облако, оно мерцает и переливается. Этот феномен, считают Кроттс и Шульц, и принимают за «таинственные вспышки». По их оценке, взметнувшееся на Луне облако пыли площадью несколько квадратных километров можно наблюдать с Земли в течение 10 минут.
Насколько хороши все эти объяснения? Новейшие технологии позволили возобновить поиск подоплеки загадочных лунных феноменов. С 2008 года Арлин Кроттс и Питер Шульц ведут пристальное наблюдение за этими вспышками. Каждые 20 секунд их телескопы фотографируют видимую нами поверхность Луны, а компьютеры анализируют любые изменения яркости или окраски тех или иных участков планеты. Этот педантичный сбор информации позволит наконец, считают ученые, однозначно прояснить, как возникают вспышки на Луне. Или, может быть, все это нам лишь привиделось?
