Науково-популярні статті з різних галузей астрономії

Розгадка таємниці зворотного боку Місяця

(до 50-річчя космічної ери дослідження природного супутника Землі)

В.С. Кислюк

доктор фізико-математичних наук, професор

Головна астрономічна обсерваторія НАН України

Півстоліття тому в колишньому СРСР відбулися три події, з якими асоціюється початок космічної ери дослідження нашого найближчого небесного сусіда — Місяця. Протягом 1959 р. вперше вдалося облетіти Місяць (місія «Луна-1»), улучити в нього («Луна-2»), а найголовніше — сфотографувати зворотний бік Селени («Луна-3»). З того часу до Місяця здійснено понад 100 запусків космічних апаратів — автоматичних і пілотованих, удалих і невдалих, — але згадані місії ввійшли в історію космонавтики як епохальні. Пропоную ще раз пригадати запуски та польоти автоматичних міжпланетних станцій (АМС) «Луна-1» — «Луна-3».

ПЕРША ШТУЧНА ПЛАНЕТА СОНЯЧНОЇ СИСТЕМИ

Розробка конкретних планів колишнього СРСР щодо освоєння Місяця почалася з листа, якого 28 січня 1958 р. надіслали до ЦК КПРС Мстислав Всеволодович Келдиш (на той час директор Інституту прикладної математики АН СРСР) і Сергій Павлович Корольов (засекречений тоді Генеральний конструктор). У зверненні були сформульовані два головних завдання місячної програми: посадка космічного апарата (КА) на поверхню Місяця й обліт Місяця,щоб сфотографувати його зворотний бік. Ці пропозиції були схвалені, після чого розпочалася реалізація довгострокової програми дослідження природного супутника Землі. Упродовж 1958—1976 рр. намічену програму виконували за допомогою космічних апаратів серії «Луна».

Починаючи з 23 вересня 1958 р., було декілька спроб запустити космічний апарат до Місяця. Усі вони виявилися невдалими. І лише 2 січня 1959 р. ракета-носій «Восток» вивела на траєкторію польоту до Місяця АМС «Луна-1» —«первую космическую ракету», як зазначалось у повідомленнях ТАРС. У пресі ж цей апарат назвали «Мечтой» («Мрією»).Уперше в історії людства рукотворний об’єкт масою 361 кг розвинув швидкість 11.4 км/с, тобто перевищив другу космічну (11.2 км/с). На борту станції були наукові прилади для вивчення радіаційних поясів Землі, космічних променів, метеорних частинок, сонячного випромінювання. Проте через допущені технічнінеточності перший місячний розвідник промахнувсь і проминув розрахункову точку зустрічі на місячній орбіті раніше, ніж там з’явився Місяць (КА «Луна-1» не мав системи корекції траєкторії). Унаслідок цього апарат пролетів мимо Cелени на відстані близько 6000 км від її поверхні й вийшов на геліоцентричну орбіту. Два вимпели з радянською символікою, які несла «Луна-1», так і не потрапили на місячну поверхню. Через декілька днів штучна планета «Мечта» вийшла на самостійну навколосонячну орбіту з перигелієм 146 млн км, афелієм 197 млн км і періодом обертання 450 діб.

3 січня 1959 р., коли АМС «Луна-1» пролітала над Індійським океаном, спеціальний пристрій, установлений на останньому ступені ракети-носія (а вона мчала майже тією ж траєкторією, що і відділена від неї станція), на відстані 113 000 км від Землі викинув натрієву хмару масою близько 1 кг, утворивши своєрідну штучну комету. Цей помаранчевого кольору зореподібний об’єкт 6-ї зоряної величини можна було спостерігати із земної поверхні. Такі спостереження дали змогу уточнити траєкторію польоту апарата й підтвердити, що він дійсно летить до Місяця.

З погляду поставленого завдання описаний вище фінал місії «Луна-1», звичайно, можна розцінювати як невдалий,адже апарат не досягнув цілі— не влучив у Місяць. Дотепер тривають дискусії: політ АМС «Луна-1» був успішним чи неуспішним. Мабуть, його можна охарактеризувати як частково успішний: станція хоча і не влучила в Місяць, але стала першим у світі апаратом, котрий розвинув другу космічну швидкість, переборовши силу земного тяжіння, досягнув місячного довкілля й став першою штучною планетою Сонячної системи. Політ АМС «Луна-1» був доволі продуктивним і з наукового погляду. Зокрема, уперше була встановлена відсутність значного магнітного поля Місяця, за допомогою бортового магнітометра вперше був зареєстрований зовнішній радіаційний пояс Землі та виконано перші прямі вимірювання параметрів сонячного вітру.

Через два місяці після польоту станції «Луна-1» її «подвиг» повторив американський КА «Піонер-4». Запущений 3 березня 1959 р., цей апарат масою всього 6 кг також не зміг досягнути потрібної швидкості виходу на орбіту й пролетів повз Місяць на значно більшій відстані (близько 60000 км), ніж «Луна-1», ставши другою штучною планетою Сонячної системи.

ПЕРШЕ ПОПАДАННЯ В МІСЯЦЬ

Отже, з першого разу не вдалося досягнути поверхні нашого природного супутника. Це історичне завдання виконала АМС «Луна-2», старт якої відбувся 12 вересня 1959 р. (перед тим були два невдалих запуски — 18 червня та 9 вересня 1959 р.). Уперше здійснено переліт із Землі на інше небесне тіло. 14 вересня 1959 р. в 0 год 02 хв 24 с за московським часом перестали надходити радіосигнали від апарата, що свідчило про його попадання в Місяць. Швидкість АМС відносно поверхні Селени в момент зустрічі з нею становила близько 3.3 км/с. Контакт з місячною поверхнею відбувся на нульовому меридіані в точці із селенографічною широтою +30°. Це — у східній частині Моря Дощів, у трикутнику між кратерами Архімед, Автолік і Арістіл. Вимпел із зображенням герба СРСР цього разу був доставлений на місячну поверхню. Усередині АМС «Луна-2» містилася металева куля, поверхня якої складалася з п’ятикутних вимпелів. Під час удару об поверхню Місяця куля розлетілася на десятки окремих вимпелів. Згодом район «примісячення» станції «Луна-2» назвали Затокою Лунника. Її протяжність приблизно 100 км.

З наукового обладнання на станції були встановлені сцинтиляційні лічильники та лічильники Ґейґера, а також магнітометри й детектори мікрометеоритів. Прилади підтвердили відсутність сильного магнітного поля та радіаційних поясів у Місяця.

Конструктивно «Луна-1»і«Луна-2»були схожі. Вони не мали власних двигунів для корекції траєкторії і виконували цілком конкретні завдання: відпрацювання і перевірка точності виведення апаратів на міжпланетні орбіти; перевірка можливості підтримувати радіозв’язок з ними на великих відстанях; дослідження властивостей космічного простору між Землею та Місяцем і в місячному довкіллі. Зокрема, вивчали під час їхніх польотів магнітні поля Землі й Місяця, радіаційні пояси, космічні промені, метеорні частинки. Вимірювання загального потоку космічного випромінювання, виконані на траєкторії польотів і поблизу Місяця, дали нові відомості про космічні промені та частинки, про мікрометеори у відкритому космічному просторі. Здобута інформація дала змогу перейти до створення складніших і досконаліших космічних апаратів.

РОЗКРИТТЯ ТАЄМНИЦІ зворотного бокуМІСЯЦЯ

Хоч як це дивно, але факт — півстоліття тому про Місяць, до якого як рукою подати, ми знали наполовину менше, ніж про інші небесні тіла. Через те, що період осьового обертання Місяця збігається з періодом обертання його навколо Землі, наш природний супутник завжди повернутий до нас одним боком. Здавалося, що другий бік людина ніколи не побачить. Стосовно його вигляду існували різні гіпотези, які народжувала людська фантазія, але були й такі, що базувались на певних наукових міркуваннях. Так, у другій половині XIX ст. оригінальну гіпотезу щодо будови невидимого боку Селени висунув відомий німецький астроном і геодезист П. Ганзен (1795—1874), який плідно працював над проблемою уточнення теорії руху Місяця. З його міркувань випливало, що центр мас нашого природного супутника зміщений майже на 60 км відносно геометричного центра в напрямку до Землі, отже, на «звороті» Місяця має бути велетенська западина, в якій можуть скупчуватися потрібні для життя вода й повітря. Варто зауважити, що згідно із сучасними уявленнями зазначене зміщення центра дійсно існує, але воно набагато менше і становить усього близько 2 км.

«Побачити» зворотний бік Місяця вдалося АМС «Луна-3», яка, на відміну від своїх попередниць, була справжньою лабораторією. Цей космічний апарат обладнали системами радіотехнічної, телеметричної, фототелеметричної орієнтації (відносно Сонця й Місяця), енергоживлення (із сонячними батареями), терморегулювання, а також комплексом наукової апаратури. На станції була встановлена радіотехнічна система для передачі на Землю телевізійної й наукової телеметричної інформації та прийому із Землі команд управління роботою бортової апаратури. Уперше автоматичний космічний апарат бувобладнаний фототелевізійною системою з двома знімальними камерами (фокусна відстань 200 та 500 мм), за допомогою яких виконували одночасне зніманняу двох різних масштабах. Усе це стало можливим завдяки встановленій на апараті системі орієнтації, яка дала змогу спрямувати станцію для обльоту Місяця, «зазирнути» на його зворотний бік, сфотографувати його та під час повернення наЗемлю передати ці зображення вченим.

Старт КА «Луна-3» 4 жовтня 1959 р. прогримів як своєрідний салют на честь другої річниці космічної ери людства. Кінцева маса останнього ступеня ракети-носія з цією АМС становила 1553 кг, з них маса наукової та вимірювальної апаратури з джерелами живлення — 435 кг, маса КА «Луна-3» — 278.5 кг. Через дві доби КА, виведений на сильно витягнуту еліптичну орбіту штучного супутника Землі (апогей — близько 485 000 км, перигей — приблизно 47 500 км, період обертання — приблизно 21 доба), пройшов на відстані 6 200 км від місячної поверхні. 7 жовтня, після того, як станція обігнула Місяць, відбувся 40-хвилинний сеанс фотографування освітленої частини його поверхні. Дві камери (з довго- та короткофокусним об’єктивами) відзняли близько 70% місячної поверхні, з них дві третини належать зворотному боку Місяця й одна третина — видимій із Землі західній частині крайової зони, зображення якої дало змогу здійснити селенодезичну прив’язку деталей зворотної півкулі Місяця. Відзнята фотоплівка була проявлена на борту апарата, після чого зображення місячної поверхні за допомогою фототелевізійного пристрою були передані на Землю (рис. 1), що знаменувало народження космічного телебачення.

Звичайно, з погляду сучасних досягнень космічних технологій знімки, здобуті під час польоту АМС «Луна-3», були далекі від досконалості, але їхня цінність полягає у тому, що це був перший погляд людства на невидиму поверхню нашого найближчого небесного сусіда. На знімках його зворотного боку вдалося розрізнити багато рельєфних утворень, але сенсації не сталося: досі не бачений бік Місяця виявився схожим на звичну для нас видиму із Землі частину. Проте було встановлено, що,на відміну від переважно «морської» видимої півкулі Місяця, його протилежний бік є головним чином «материковий».

Після тріумфального 1959 р. розпочалася справжня битва за Місяць. На порядку денному постало наступне завдання — здійснення м’якої посадки КА на місячну поверхню як неодмінного елемента подальших пілотованих відвідин нашого сусіда. Було кілька десятків невдалих спроб (в СРСР і США), перш ніж через майже шість із половиною років, 3 лютого 1966 р., станція «Луна-9» уперше у світі здійснила м’яку посадку в Океані Штормів. Після чергового успіху радянської космонавтики битва за Місяць набула особливої гостроти (див. книжку «Місячна одіссея» під ред. Я. С. Яцківа — К.: Академперіодика, 2007.).

ЩО Ж ТАМ — НА ТОМУ БОЦІ?

Отже, Місяць відкрив свою «спину». Згодом радянська АМС «Зонд-3» 1965 р.завершила фотографування невидимої півкулі нашого супутника, у результаті чого з’явилася перша повна карта Місяця. На фотографіях, здобутих АМС «Луна-3» і «Зонд-3» вдалося розрізнити понад 500 деталей, переважно кратерів. На пропозицію радянських астрономів Міжнародний Астрономічний Союз (МАС)умістив на першу карту зворотного боку Місяця 18 назв нововідкритих рельєфних утворень. Так на Місяці з’явилися: Море Москви, кратери Герц, Курчатов, Ломоносов, Максвелл, Менделеєв, Склодовська-Кюрі, Ціолковський та ін. Теперішня номенклатура найменувань деталей зворотного боку Місяця така ж багата, як і номенклатура видимої півкулі.

Вивчення зворотного боку Місяця, розпочате АМС «Луна-3», довершили КА серії «Зонд», штучні супутники Місяця серій «Луна» та «Лунар Орбітер» (США). Проте найретельніше зворотний бік Селени дослідили американські апарати «Клементина» (1994 р.) і «Лунар Проспектор» (1998 р.). Що ж нам тепер відомо про невидиму півкулю Місяця?

Як уже зазначалося, головна особливість зворотного боку Місяця — його «материковий» характер. Якщо на видимій із Землі півкулі Місяця «моря» становлять приблизно 40% її території, то на зворотному боці на «моря» припадає менше за 10%. З 22 місячних «морів» 18 належать видимій півкулі, два «моря» (Море Східне й Море Південне) — крайовій зоні та лише два невеликих морсьихі утворення містяться в протилежній півкулі. Це Море Москви й Море Мрії (останнє названо так на честь описаної вище першої радянської штучної планети), які вкупі за площею вдвічі менші, ніж відоме Море Дощів на видимому боці.

Зворотний бік Місяця густо вкритий кратерами, які накладаються один на одного, утворюючи кільцеві структури та ланцюжки завдовжки в сотні кілометрів. Але найбільше вражає велика кількість кратерів великих розмірів. Якщо видимий бік Місяця характеризується як переважно морський, то особливість зворотного боку — це наявність великих кратерів. Таблиця, подана нижче, містить інформацію про кратери діаметром 200 і більше кілометрів. Проти них такі відомі кратери видимого боку Місяця, як Тіхо (знамениті «промені») та Коперник, мають досить скромні розміри: відповідно 102 і 93 км. Така переважна ряснота кратерів на зворотному боці свідчить про асиметрію процесів під час утворення їх (ударних і вулканічних). На рис. 2 показано найбільші рельєфні утворення зворотного боку Селени.

 ​

Примітка. Відмічені кратери належать басейну ППЕ (одна зірочка) і найвищому материковому регіонові (дві зірочки). 

Рис. 2. Найбільші рельєфні утворення на зворотному боці Місяця

На зворотному боці Місяця немає таких яскраво виражених гірських хребтів, як Апенніни чи Кавказ на видимому боці. Зате є багато лінійних форм рельєфу — широких долин і гірських хребтів, які облямовують їх. Такі структури характерні для Моря Східного та Моря Москви.

Проте найвизначнішим місцем зворотного боку є басейн «Південний полюс—Ейткен» (ППЕ): велетенська ударна структура діаметром близько 2500 км і завглибшки 13 км — найбільша не лише на Місяці, але й у всій Сонячній системі. Назву басейну складено з назв двох деталей зворотного боку Місяця, до яких цей басейн простягається, а саме: від кратера Ейткен (широта -30°) до південного полюса Місяця. У басейні ППЕ містяться Море Мрії та безліч кратерів, серед яких і шість виділених нами великих кратерів (у таблиці їх відмічено зірочкою). З півночі до басейну ППЕ прилягає найвищий на Місяці материковий масив (заввишки приблизно 8 км), на якому, зокрема, є два з найбільших кратерів Герцшпрунґ і Корольов (їх відмічено в таблиці двома зірочками).

Природу басейну ППЕ ще належить розгадати. Поки що є принаймні дві гіпотези стосовно його походження.

1. Басейн ППЕ — це результат зіткнення з астероїдом, який врізався в Місяць з його протилежного боку. Деякі вчені-планетологи вважають, що ударна хвиля, яка утворилась від такого зіткнення, могла пронизати все тіло Місяця — крізь місячне ядро до видимого боку Селени. Результатом цього катаклізму стали характерні «шрами» на видимому боці Місяця (моря, долини, гірські хребти тощо). Від такого удару зсунувся також центр мас Місяця (як зазначено вище, таке зміщення величиною близько 2 км нині достеменно встановлено), а його фігура стала сильно асиметричною.
2. Заслуговує на увагу також припущення, що така протяжна заглибина, якою є басейн ППЕ, могла утворитися внаслідок зіткнення не з важким астероїдом, а з тілом набагато меншої густини, тобто з кометою. Підставою для такої думки є мала величина співвідношення «глибина—діаметр» для басейну ППЕ, яке становить приблизно 1/200.

Щоб дістати відповідь на всі запитання стосовно природи басейну ППЕ й інших рельєфних структур Місяця, треба докладно вивчити не тільки топографію його фізичної поверхні, але і структуру й фігуру мантії та ядра. На розв’язання цих завдань націлені нові космічні апарати «Каґуя» (Японія), «Чан’е» (Китай), «Чандраян» (Індія) та «ЛРО» (LRO: Lunar Reconnaissance Orbiter) — Розвідувальний орбітальний апарат для Місяця (США).

Джерело: Астрономічний календар 2007, С. ? — ?