Роботизираното изследване на Луната

От Пол Д. Спудис, Лунна и планетарна институция

луна

Луната задържа въображението ни в продължение на хилядолетия, но едва в съвремието сме посетили това тяло, първо с роботизирани машини, а след това и с астронавти. Изследването на Луната ни научи много на еволюцията на Слънчевата система и нас самите. От векове знаем за ефектите върху приливите и биологичните цикли от нарастваща и намаляваща луна. Но беше необходимо проучване на космическата епоха, за да ни покаже как Луната е свързана с човешкото съществуване на много фундаментално ниво.

Пристига космическата ера: Роботи до Луната

С шокиращото изстрелване на Sputnik 1 през октомври 1957 г., луната се промени от отдалечен сребърен диск в небето на истинско място, вероятно дестинация за сонди и хора. Съветите удариха първи, летейки Луна 1 от Луната през януари 1959 г. Те последваха този успех с редица други роботизирани сонди, кулминиращи по-късно същата година с Луна 3, която засне далечната страна на Луната, никога не видима от Земята. От тези ранни изображения с ниско качество открихме, че в далечната страна има изненадващо малко от тъмните, гладки равнини на кобила, които покриват около една трета от близката страна. Скоро ще последват и други изненади.

В отговор на полета на съветския космонавт Юрий Гагарин през 1961 г. президентът Джон Кенеди ангажира САЩ да кацне човек на Луната до края на десетилетието. Програмата "Аполон" значително ускори интереса към изследването на Луната. За да се гарантира, че човешките екипажи могат безопасно да кацат и да се отклоняват от лунната повърхност, беше важно да се разбере неговата среда, повърхност и процеси. В същото време роботизираните предшественици биха събрали ценна информация, представляваща първото научно изследване на друго планетно тяло.

Първата стъпка на Америка беше серията хард лендъри Ranger. Тези сонди са проектирани да снимат лунната повърхност при нарастващи нива на детайлност, преди да се разбият в повърхността. След няколко сърцераздирателни неуспеха, Ranger 7 успя да изпрати обратно подробни телевизионни снимки на Mare Nubium (Море на облаците) през юли 1964 г. От сондите на Ranger открихме, че кратерите, онези странни дупки, които пипнат лунната повърхност, са с размер до самите граници на резолюция. Бомбардировките с микрометеорит са заземили повърхностните скали, създавайки фин прах (наречен реголит). Още два космически кораба "Рейнджър" отлетяха към Луната, кулминирайки с телевизионните изображения от "Рейнджър 9" на живо от Луната през 1965 г., отварящи се в зрелищния лунен кратер Алфонс.

Погледнахме много по-отблизо на лунната повърхност в началото на 1966 г. Отново САЩ поведоха пътя, като безопасно приземиха роботизирания космически кораб Luna 9 в кобилната равнина, Oceanus Procellarum. Той откри, че повърхността е прахообразна мръсотия, обсипана с няколко скали, но достатъчно здрава, за да издържи тежестта на кацнал космически кораб. През май 1966 г. Съединените щати последваха кацането на сложния роботизиран космически кораб, Surveyor 1. Той изпрати телевизионни снимки обратно на Земята, показващи подробно повърхността и нейните физически свойства. По-късно мисиите на геодезистите (общо пет) събират физически данни за свойствата на почвата, включително химичния й състав. Анализът на лунната повърхност показа, че тъмната мария има състав, подобен на земния базалт, богата на тъмно желязо лава, докато планинските райони в близост до много пресния лъчеви кратер Тихо са по-светли на цвят и странно обогатени с алуминий. Това доведе до удивително разкритие за ранната история на Луната, след като по-късно първите физически проби бяха върнати на Земята от екипажа на Аполон 11.

Заключителните роботизирани мисии за пръв път картографират цялата луна от орбита и получават снимки с изключително висока разделителна способност на потенциални места за кацане, удостоверяващи тяхната безопасност за мисиите Аполо, които да следват. Тази поредица на Лунния орбитър в САЩ проведе пет мисии за картографиране, при което можеха да се видят камъни с размери само няколко метра. Те също така получиха невероятни гледки към научно интересни цели, като например първия изглед „пилотско око“ на големия, ярко облъчен кратер Коперник, наречен „картина на века“ от репортери на новини. Още „снимки на века“ скоро трябва да получат хората, които се разхождат на Луната.

От тези роботизирани мисии научихме, че Луната е кратерирана и ямкова във всички мащаби. Повърхността беше прахообразен прах, но достатъчно здрава, за да издържи тежестта на хората и машините. Луната няма глобално магнитно поле или атмосфера и е съставена от често срещани видове скали, подобни на тези, които се намират на Земята. Сега беше поставен етап за следващия гигантски скок в разбирането на лунната и планетарната история.

Аполон: Хората следват

Аполон беше най-добрият час от космическата програма на Америка. Само за осем години бяхме преминали от нулевата способност на човешкия космически полет до кацане на хора на повърхността на Луната. От тези мисии учените разработиха нов поглед за произхода и еволюцията на планетите и за живота на Земята.

Полетът на Аполо 8 през Коледа през 1968 г. е крайъгълен камък - хората напускат ниската земна орбита и достигат до Луната, обикаляйки я почти цял ден. За първи път хората погледнаха Луната от орбита. Те го намериха пуст и сив, но не видяха нищо, което да попречи да изминат последните 62 мили до повърхността. През май 1969 г. Аполон 10 обикаля около Луната, тествайки лунния десант. Това беше генерална репетиция, за да дойде пилотираният десант. Всяка от мисиите на Аполон - и астронавтите, останали в орбиталния команден модул по време на последващите разтоварени мисии - направиха стотици снимки с висока резолюция на лунната повърхност. Техните визуални наблюдения добавиха към процъфтяващите знания за лунната геология.

При мъчително спускане, белязано от програмни аларми от претоварен компютър и замръзващи горивни линии, Нийл Армстронг и Бъз Олдрин в Аполо 11 безопасно се приземяват в Маре Транквилитис (Морето на спокойствието) на 20 юли 1969 г. Те ходят на Луната повече от 2 часа, събиране на скали и пръст и излагане на експериментални пакети. От пробите на Аполо 11 научихме, че тъмните марии са древни вулканични лави, кристализирали преди повече от 3,6 милиарда години. Лунните проби са подобни по химичен състав на земните скали, но изключително сухи, без доказателства за значителна вода на Луната, минала или настояща. Малки парченца бяла скала бяха открити в почвата, взривени до мястото от далечни планини. В комбинация с по-ранните резултати от химическия анализ на Surveyor 7 в кратера Tycho, учените разсъждават, че древната луна е била почти напълно разтопена, покрита със слой от течна скала. Оттогава тази идея за ранен „магмен океан“ се прилага за всички скалисти планети. Бомбардирането с микрометеорит заземи основата и газовете от слънцето бяха имплантирани върху повърхностите на лунните прахови зърна. Въпреки че са запазени на Луната, по-голямата част от тази древна, споделена история е загубена на нашата геологично активна Земя.

През ноември 1969 г. Аполон 12 се докосва до Oceanus Procellarum (Океан на бурите), близо до кацания преди това космически кораб Surveyor 3. Тази мисия демонстрира способността ни да се приземяваме точно на Луната, умение, критично за навигация до бъдещи места в планинските и сурови райони. Астронавтите Пит Конрад и Алън Бийн проучиха мястото в две лунни разходки. Те събраха над 75 килограма проби и разгърнаха ядрен експериментален пакет. Лавите от това място за кацане са малко по-млади от тези на Аполон 11, но все още са на възраст над 3,1 милиарда години. Тук планинският компонент е различен от този при първото кацане; той има необичайно обогатяване с радиоактивни и редки земни елементи, което предполага, че лунната кора е странично променлива и сложна. Като бонус екипажът върна и светло оцветена почва, вероятно част от изхвърлен „лъч“ и хвърлен навън по време на формирането на далечния кратер Коперник - на 186 мили северно от мястото за кацане. Датирането на стъкло от тази почва предполага, че Коперник е на „само“ 900 милиона години, древен по земните стандарти, но една от най-младите основни характеристики на Луната.

Експлозията на кислороден резервоар на Аполон 13 му попречи да кацне на Луната. Екипажът от трима души се завърна безопасно на Земята - запомняща се сага, следена отблизо по целия свят. Аполон 14 е изпратен на планинско място на изток от Аполон 12, близо до древния кратер Фра Мауро. Това място е избрано за събиране на скали, взривени от дълбочината на Луната чрез образуването на гигантския въздействащ басейн Имбриум, кратер с диаметър над 620 мили и разположен на 3723 мили северно от мястото за кацане. Астронавтите Алън Шепърд и Едгар Мичъл проведоха две лунни разходки по лунната повърхност. Теглейки количка, пълна с инструменти, те върнаха над 95 килограма скала и пръст. Проби от високопланинския район Фра Мауро са брекчии (сложни смеси от древни скали), счупени и смачкани от гигантското въздействие, създало басейна на Имбриум. От тези проби учените научиха, че въздействието на Имбриум се е случило преди повече от 3,8 милиарда години, преди тъмната кобила лава да наводни лунната повърхност, но след формирането на лунната кора преди повече от 4,4 милиарда години. След това трето кацане се очертава нова картина на лунната еволюция. Луната не беше обикновена бучка студен метеорит, нито беше активен вулканичен ад, а планетно тяло със собствена сложна, фина история.

През юли 1971 г., с Аполон 15, НАСА започва първата от трите, наречени „J“ мисии - дългосрочен престой на Луната с по-голям фокус върху науката, отколкото е било възможно преди. Apollo 15, чийто лунен модул Falcon прекара три дни на лунната повърхност, беше първата мисия, използваща лунен марсоход - малка електрическа количка, която позволяваше на екипажа да пътува на много километри от техния десант. На три екскурзии с лунен марсоход Дейв Скот и Джим Ървин изследваха красивата площадка за кацане Хадли-Апенин - долина в основата на основния ръб на огромния басейн на Имбриум, включваща кобили и планински скали. Екипажът върна „Генезис скалата“, съставена почти изцяло от един-единствен минерал (плагиоклазен фелдшпат), представляващ най-древните корави скали на Луната. Те също така откриха малки фрагменти от изумрудено зелено стъкло, образувано, когато магмата от дълбоката мантия експлозивно избухна през кората в спрей от лава. Те взеха проби от кобилни скали в края на Хадли Рил, гигантски каньон и древен канал от лава, образуван преди повече от 3,3 милиарда години. Мисията Apollo 15 получи над 80 килограма проби и нейният команден модул носеше химически сензори и камери, които картографираха почти 20 процента от повърхността на Луната от орбита.

Аполо 16 е изпратен в древния кратер Декарт, дълбоко в лунната планина през април 1972 г. Астронавтите Джон Йънг и Чарли Дюк прекарват три дни в проучване на мястото. Те са изминали над 18 мили и са събрали повече от 206 килограма проби. Те разположиха и експлоатираха първия астрономически телескоп на Луната. Скалните планини, почти всички бречки, свидетелстват за дълга и сложна история на многократни въздействия от космоса. Открити са и древни земни скали, подобни на генезисната скала на Аполон 15. Едно озадачаващо наблюдение от екипажа беше измерването на много силно магнитно поле на повърхността. Въпреки че Луната няма глобално магнитно поле, някои лунни проби имат остатъчен магнетизъм, което предполага, че те са се охлаждали в присъствието на силни полета. Въпреки че все още не разбираме лунния магнетизъм, с полета на Lunar Prospector 26 години по-късно резултатът от Apollo 16 ще стане малко по-ясен.

Последната човешка мисия до Луната до този момент, Аполон 17, е изпратена до ръба на Mare Serenitatis (Море на спокойствието) - друга комбинация от кобила/планински район - през декември 1972 г. Джийн Сернан и Джак Шмит (първият професионален геолог изпратен на Луната) прекарал три дни в пълно проучване на долината Телец-Литроу. Те върнаха над 242 килограма проби и разгърнаха набор от нови повърхностни експерименти. Те направиха стряскащи и значителни открития. Екипажът откри 3,6 милиарда години оранжева вулканична пепел. От планините те връщат корави скали и сложни брекии, създадени по време на удара, формирал басейна на Серенитатис преди почти 3,9 милиарда години. Лавите на това място са на възраст над 3,6 милиарда години, документирайки поне 700 милиона годишен период от наводняване на лава на Луната.

Мисиите на Аполон революционизираха планетарната наука. Ранната слънчева система беше една от сблъскващите се планети, разтопените повърхности и експлодиращите вулкани - сложна и бурна геоложка смес. Концепцията за „ранна бомбардировка“ преди 3,9 милиарда години сега е широко приета за всички планети, но действителните доказателства идват от изследване на лунните проби. Постоянният дъжд на микрометеорити раздробява всички безвъздушни планетни повърхности, макар че този пясъкоструй е изключително бавен (Луната ерозира със скорост от около 1 милиметър на милион години.) Докато Аполон свърши великолепна работа, очертавайки лунната история, чакаха още изненади да бъдат разкрити.

Завръщането на роботите: Клементина и Лунният изследовател

През 90-те години на Луната бяха изпратени две малки роботизирани мисии. В продължение на 71 дни през 1994 г., съвместната мисия на НАСА и Организацията за стратегическа отбрана на Клементин обикаля около Луната, тествайки сензори, разработени за космическа ракетна отбрана, както и картографиране на цвета и формата на Луната. От Клементин документирахме огромния въздействащ басейн на южния полюс Айткен, дупка в луната с дължина 1 616 мили и дълбочина над 8 мили. Този басейн е толкова голям, че може да е изкопал цялата кора до мантията. Данните за цвета от Clementine, комбинирани с информация за проба на Аполон, ни позволяват да картографираме регионалните композиции, създавайки първата истинска „скална карта“ на Луната. И накрая, Клементин ни даде вълнуващ намек, че трайно тъмните области в близост до южния полюс на Луната могат да съдържат замръзнала вода, отложена в продължение на милиони години чрез въздействие върху комети.

Скоро след Клементин космическият кораб "Лунният проспектор" картографира повърхността на Луната от орбита по време на своята мисия през 1998 и 1999 г. Тези данни, комбинирани с тези от Клементин, дават на учените глобални композиционни карти, показващи сложната кора на Луната. Lunar Prospector също за първи път картографира повърхностните магнитни полета. Данните показаха, че планинските планини Аполо 16 Декарт е една от най-силните магнитни области на Луната, което обяснява повърхностните измервания, направени от Джон Йънг през 1972 г. Мисията също така открива увеличени количества водород на двата полюса, добавяйки към оживения спор около добре дошла перспектива за лунен лед.

Луната хвърля камъни по нас: Лунни метеорити

През 1982 г. направихме изумително откритие. Метеорит, открит в Антарктида, ALHA 81005, е от Луната! Скалата е сложна реголитова бреча, подобна на тези, върнати от мисията Apollo 16 през 1972 г. Оттогава открихме над 50 метеорита, които, определени от уникалния им химичен състав, идват от Луната. Тези скали бяха взривени от лунната повърхност чрез удари, след това уловени и пометени от Земята, докато тя се движи през космоса. Лунните метеорити идват от произволни места по цялата Луна и те предоставят данни, допълващи пробите на Аполон и глобалните карти на състава, получени от Clementine и Lunar Prospector.

Бъдещето и значението на лунните изследвания

Сега се подготвяме за завръщането на човечеството на Луната. През следващите няколко години поне четири международни роботизирани мисии ще обикалят около Луната, правейки глобални карти с ненадминато качество. Ще омекотим Луната, особено тайнствените полярни области, за да картографираме повърхността, да изследваме летливите отлагания и да характеризираме необичайната среда там. В крайна сметка хората ще се върнат на Луната. Целите на лунното завръщане този път не са да докажем, че можем да го направим (както е направил Аполон), а да се научим как да използваме Луната, за да подкрепим нова и нарастваща способност за космически полети. На Луната ще научим уменията и ще развием технологиите, необходими за живота и работата в друг свят. Ще използваме тези знания и технологии, за да отворим слънчевата система за изследване на човека.

Историята на историята и процесите на Луната е интересна сама по себе си, но също така леко измества перспективите за собствения ни произход. Едно от най-значимите открития през 80-те години е гигантското въздействие преди 65 милиона години в Мексико, което доведе до изчезването на динозаврите, което позволи последващото издигане на бозайници. Това откритие (станало възможно чрез разпознаване и интерпретиране на издайническите химични и физични признаци на свръхскоростно въздействие) идва директно от изследването на ударни скали и форми на земята, стимулирани от Аполон. Сега учените смятат, че въздействията са отговорни за много, ако не и за повечето случаи на изчезване в историята на живота на Земята. Луната запазва този запис и ние ще го прочетем подробно при завръщането си.

Отивайки на Луната, ние продължаваме да получаваме нови прозрения за това как работи Вселената и собствения ни произход. Лунното изследване революционизира разбирането за сблъсъка на твърди тела. Този процес, който преди се смяташе за странен и необичаен, сега се разглежда като основен за планетарния произход и еволюция - неочаквана връзка. Завръщайки се на Луната, ние очакваме да научим още повече за нашето минало и не по-малко важно, да погледнем в бъдещето си.