Какие тайны скрывают ледники на Луне? Почему космические державы вновь затеяли лунную гонку? Чем займётся автоматическая межпланетная станция «Луна-25»? Об этих и других лунных темах рассказывает Игорь Митрофанов, руководитель отдела ядерной планетологии ИКИ РАН.

Полвека назад люди ступили на поверхность Луны. Это стало невероятным прорывом, сулившим для человечества новые возможности. Однако с тех пор на Луне бывали только автоматические зонды, а потом о ней и вовсе почти «забыли». Но сейчас интерес к нашему спутнику активно возрождается. С чем это связано, что учёные ищут на Луне, какие открывает перспективы и какую роль в этих планах играет наша страна? На все эти вопросы отвечает руководитель отдела ядерной планетологии ИКИ РАН, доктор физико-математических наук Игорь Георгиевич Митрофанов.

Фото: М. Абаев, Наука и жизнь.

– Игорь Георгиевич, человечество сейчас переживает ренессанс в освоении Луны. В конце 50-х годов прошлого века советские аппараты впервые смогли сфотографировать обратную сторону нашего спутника, а в 1966 году осуществили первую успешную посадку на лунную поверхность. Американцы смогли впервые высадиться на Луну и доставили лунный грунт на Землю. Однако со времён американской программы «Аполлон» пилотируемых полетов на Луну больше не было. Почему так получилось?

– В середине прошлого века существовала лунная гонка, и в значительной степени интерес к лунным исследованиям был скорее политическим, нежели научным. Две космические державы хотели доказать всему миру своё технологическое превосходство в космических исследованиях, поэтому научная мотивация стояла здесь на втором месте.

Игорь Георгиевич Митрофанов. Фото: ИКИ РАН.

А вторая причина – дело в том, что с точки зрения фундаментальной науки те результаты, которые были получены, не оказались особенно сенсационными. Была небольшая группа астрофизиков, которая занималась исследованием Луны, её происхождением, эволюцией и так далее, но их голос был недостаточно громким, чтобы после окончания этой гонки продолжать лунные исследования. Ничего сверхнеожиданного на Луне не нашли, поэтому и наступила пауза, которая продолжалась практически до конца прошлого века. 

– Были ли какие-то сюрпризы, связанные с изучением Луны?

– Да, такой сюрприз произошёл, когда на лунных полюсах была обнаружена вечная мерзлота. Оказалось, что те районы, куда летали во время лунной гонки, в окрестностях экватора, на умеренных широтах, были такими скучными, потому что во время длинного лунного дня там всё достаточно сильно прогревается солнечным излучением. В результате вода, которая там могла бы оказаться из-за столкновений с кометами или из-за облучения солнечным ветром, не сохраняется, и поверхность Луны в этих районах оказывается сухой и неинтересной.

А вот на лунных полюсах всё совсем по-другому. Дело в том, что полярная ось Луны направлена практически перпендикулярно относительно направления на Солнце. Там очень маленький угол отклонения – всего полтора градуса, в результате чего на полюсах солнечные лучи распространяются практически по касательной к поверхности. В лунные полярные кратеры, представляющие собой гигантские низменности на поверхности спутника, никогда не попадает солнце, и эти области постоянно находятся под воздействием криогенных температур порядка ста градусов Кельвина.

– Это же примерно минус 170 по Цельсию. Холодно!

– Да, очень холодно. Данные, которые американцы получили в 1999 году на своём спутнике Lunar Prospector, измеряя поток нейтронного излучения от Луны, дали основания полагать, что в «холодных ловушках» на дне полярных кратеров в окрестностях северного и южного полюсов находится достаточно много водорода. А основное химическое соединение, которое в лунном веществе может содержать  водород, – это вода.

Таким образом, лунные полюса – это совсем другая природная среда, это районы, где в грунте содержится много воды, а на дно полярных кратеров никогда не попадает солнце. Те районы, которые освещаются солнцем, всё равно достаточно холодные, и примерно десять сантиметров сухого реголита на поверхности Луны предохраняют лёд от сублимации, в результате чего он может сохраняться там сотни миллионов лет.

Лунный кратер Шеклтон диаметром 21 км находится на южном полюсе Луны. Внутренняя часть кратера постоянно пребывает в тени и работает как холодная ловушка, замораживающая летучие вещества. В 2012 г. с помощью лазерного альтиметра (высотомера) LOLA зонда LRO исследователи NASA смогли "заглянуть"  внутрь кратера, составить карту высот и определить коэффициент отражения поверхности внутренней части кратера. Результаты измерений позволили учёным сделать предположение о том, что в кратере возможно находятся большие запасы воды. Илл.: NASA/Zuber, M.T. et al., Nature, 2012, 

Существование вечной лунной мерзлоты стало той сенсацией, которая существенно изменила взгляды на перспективы освоения Луны. Правда, следует заметить, что существование льда на полюсах Луны предсказал наш замечательный соотечественник, основоположник космонавтики К.Э. Циолковский в повести «Вне Земли».

– Первый фантастический фильм «Космический рейс» 1936-го года, где Константин Эдуардович был научным консультантом, посвящён как раз полёту на Луну. И там тоже удивительно много предсказаний. В частности, космонавты используют ботинки с утяжелителями, чтобы передвигаться по лунной поверхности с низкой силой тяжести. И Луна там, действительно, не выглядит безжизненной.

– Циолковский, как известно, предсказал многие перспективы, касающиеся  освоения космоса и, в частности, то, что на полярной Луне могут находиться ледники.

– Обнаружение воды на нашем спутнике означает, что там вполне можно жить? Понятно, что при соблюдении определенных условий, но воду везти с собой не нужно?

– У этого открытия две стороны, и обе очень важные. Первое – это то, что вы сказали. Дальнейшее освоение Луны, создание там лунных станций, баз на полюсах существенно облегчается, поскольку такой важный ресурс, как вода, там присутствует, и это не только питьевая вода. Это также водород, который можно будет производить из лунной воды, а водород представляет собой горючее для перспективных ракетных двигателей. Это кислород, которым можно дышать, то есть система жизнеобеспечения будущих лунных космодромов оказывается уже обеспеченной ресурсами. Это что касается точки зрения практической.

Есть также фундаментальная составляющая, имеющая огромное значение. Дело в том, что значительным источником этой полярной воды являются кометы. Вся поверхность Луны испещрена ударными кратерами от столкновений с астероидами и кометами. А комета – это огромная глыба космического льда, которая имеет межзвёздное происхождение, хранит в себе вмороженные остатки вещества протозвёздного облака, из которого образовалось Солнце и наша планетная система.

В результате этих кометных ударов на Луне возникает временная атмосфера водяного пара со всеми компонентами, которые были растворены в этой воде и принесены на её поверхность. Всё это осаждается в холодных ловушках полюсов и хранится сотни миллионов лет.

Здесь есть два важных факта. Первое – астрономические наблюдения комет сейчас достоверно доказали, что кометная вода очень богата сложными химическими соединениями, в том числе, там находят аминокислоты. Таким образом, мы получаем на лунных полюсах доступ к химии межзвёздной среды.

Многие проекты специально создаются, чтобы слетать на комету, взять образец вещества и доставить его на Землю. А тут сравнительно недалеко, можно сказать, по соседству имеется несметное богатство межзвёздного вещества, которое лежит там слоями, и мы по этим слоям сможем даже восстановить  хронологию прошедших кометных столкновений.

– Известна гипотеза космической панспермии, согласно которой жизнь на Землю доставили именно кометы. Возможно ли её проверить?

– Это вторая научная задача. На раннюю Землю кометы падали тоже очень часто. Мы знаем, что в истории нашей планеты была так называемая эпоха великой бомбардировки, и как раз в это время на Земле образовалась жизнь. Возникает логичный вопрос – не благодаря ли кометам это произошло? Это вполне возможно.

Фотография кометы 67P/Чурюмова–Герасименко, сделанная с расстояния 31 км зондом Rosetta Европейского космического агентства 20 ноября 2014 года. Благодаря миссии «Розетты» на комете были обнаружены 16 органических соединений, включая простейшую аминокислоту глицин, а также молекулярный кислород в облаке пыли и газа вокруг её ядра. Фото: ESA/Rosetta/NAVCAM

Мы ведь про жизнь не знаем практически ничего. Мы не знаем, как она возникла, почему эволюционировала именно так, как это имело место, каким образом появилась разумная жизнь… Хотя иногда и возникают сомнения, что наша форма жизни – разумная, но некоторыми признаками интеллекта она всё же обладает.

– Это подтверждают хотя бы лунные исследования...

– То, что было принесено кометами за Землю примерно 4 млрд. лет назад, когда в первичном океане зародилась примитивная жизнь, было также принесено и на Луну. На Земле всё это сильно переработалось из-за влияния биосферы и активной природной среды, поэтому здесь уже ничего не найти. А вот на Луне то, что занесли кометы, сохранилось в первозданном виде в полярных ледниках. Химия лунных ледников, вполне возможно, хранит тайны космического происхождения земной жизни. Поэтому их исследования могут быть интересны не только с точки зрения химии межзвёздной среды, но также могут пролить свет на тайну происхождения жизни, помочь ответить на вопрос, является ли земная жизнь разновидностью жизни космической.

– Насколько я понимаю, уже совсем скоро, осенью нынешнего года наша лунная станция «Луна-25» начнёт осуществлять такого рода исследования?

– Активные лунные исследования начинают все космические государства, причем если раньше, как мы упоминали, интерес был в первую очередь политический, то сейчас в первую очередь стимулами становятся наука и практическая заинтересованность. Лунные ресурсы оказались важными в стратегической перспективе, на ближайшие десятки лет. Иметь доступ к космическим ресурсам – безусловно, необходимое условие создания новых технологий и развития самой цивилизации.

У нас тоже выстроилась концепция лунной программы. Вначале на Луну полетят автоматы, и первым автоматом, действительно, станет станция «Луна-25», запуск которой намечен на октябрь 2021 года.

Космический аппарат «Луна-25» – малоразмерная демонстрационная посадочная станция для отработки базовых технологий мягкой посадки в околополярной области и проведения контактных исследований Южного полюса Луны. Запуск аппарата намечен на октябрь-ноябрь 2021 г. Илл.: НПО имени Лавочкина, laspace.ru

За ней последуют следующие миссии. «Луна-26» будет орбитальной миссией, которая позволит сделать глобальный обзор всей лунной поверхности, решит ряд научных задач – в частности, лучше понять свойства поверхности Луны, её геологические и морфологические особенности. Также конкретной задачей проекта станет выбор оптимальных районов для размещения будущей полярной станции.

Затем пойдёт «Луна-27», намеченная на 2025 год, где мы планируем бурить поверхность полярной вечной мерзлоты. Водяной лёд, как я уже говорил, может сохраниться под освещаемой поверхностью, и это принципиально важно, потому что вода, которая находится в затенённых кратерах, труднодоступна. Там всегда темно и холодно. Нужно создавать специальный космический аппарат с радиоизотопным источником энергии, чтобы он мог работать в таких условиях.

Поэтому сейчас мы планируем посадки на освещённой поверхности. Кстати, мы внесли существенный вклад в выяснения того факта, что лунная вечная мерзлота с водяным льдом может присутствовать и под освещаемой поверхностью вблизи полюсов.  Сейчас у нас работает прибор ЛЕНД на американском спутнике LRO. Это нейтронный телескоп с высоким пространственным разрешением. Благодаря данным этого прибора мы построили полярные карты вечной мерзлоты, и мы планируем посадки на освещённые районы, но туда, где нейтроны показывают наличие высокой концентрации воды под поверхностью. Самым интересным научным экспериментом проекта «Луна-27» станет бурение поверхности на глубину 1– 2 метра. Это позволит впервые провести исследования состава льдистой вечной мерзлоты приборами на борту космического аппарата.

Наконец, «Луна-28» должна эту лунную вечную мерзлоту доставить на Землю, причём мы хотим, чтобы она не разморозилась, чтобы мы получили для исследований исходный лёд, добытый в вечной мерзлоте в окрестностях южного полюса. В наших ведущих биофизических и биохимических научных центрах он будет детально исследован до последней молекулы.

– Но ведь этот лёд можно исследовать и на Луне? 

– Это совсем не то же самое, что мы можем сделать на поверхности Луны, где мы сильно ограничены возможностями приборов. Такие установки, которые позволяют по-настоящему глубоко изучить вещество, мы туда доставить не можем. Поэтому мы привезём вещество сюда и, может быть, сумеем ответить на этот вечный вопрос, – почему 4,5 миллиарда лет назад на Земле образовалась жизнь.

– В наших планах также отказ от МКС и строительство национальной космической станции, которая будет наклонена к орбите таким образом, чтобы с неё стали возможны лунные старты. Это так? 

– Это два разных, но пересекающихся сюжета. Действительно, угол наклона орбиты станции РОСС выбран большой, но это в основном для того, чтобы наблюдать с орбиты полярные районы нашей страны. Дело в том, что сейчас наблюдается большой  интерес к Арктике и к Антарктиде, и высокое наклонение станции «РОСС» связано  именно с этим интересом. А с точки зрения полета на Луну наклонение орбиты не столь важно. Однако станция РОСС безусловно пригодится хотя бы потому, что для пилотируемых полетов на Луну нам придётся собирать лунный пилотируемый комплекс на околоземной орбите. Эту сборку будет удобнее делать, находясь на борту орбитальной станции.

– А когда люди опять ступят на поверхность нашего спутника? И нужно ли это?

– Уверен, что, если мы произносим слово «освоение», значит, люди там нужны. С моей точки зрения, разговоры про роботы и их искусственный интеллект, – это всё ерунда. Роботы по определению тупые. Они могут руководствоваться только теми инструкциями и правилами, которые в них заложены. Робот может обыгрывать человека  в шахматы, потому что он может очень быстро перебирать комбинации. Но робот никогда не сможет придумать шахматы.

Поэтому если речь идёт об освоении новой природной среды, то, конечно, только человек сможет решать те новые задачи, реагировать на непредсказуемые события, с которыми он будет встречаться на Луне, на Марсе, на других небесных телах. Поэтому, безусловно, как и предсказывал Циолковский, «человечество… завоюет себе всё околосолнечное пространство», и первым форпостом будет Луна».

Фотография «восхода» Земли на фоне лунной поверхности, созданная на основе снимков,  сделанных автоматической межпланетной станцией NASA LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) в октябре 2012 г. Фото: NASA/Goddard/Arizona State University.

Что касается ближайших миссий, то здесь, думаю, сначала на Луну полетают автоматы и подготовят плацдарм для высадки людей. Думаю, к 2030-му году возобновятся полёты людей на Луну, но это будут кратковременные экспедиции посещения. Со временем они станут более регулярными, и лет через тридцать Луна будет изучаться и осваиваться, как сейчас изучается и осваивается Антарктида. Космические державы будут иметь там свои станции, туда будут прилетать сезонные экспедиции, проводить испытания и исследования, готовиться к полету на Марс, строить научные лаборатории и астрономические обсерватории. Когда люди прилетят на Луну, то это будет уже навсегда, как сейчас человек постоянно присутствует на околоземной орбите.

– Кто делает научную аппаратную базу для нашей лунной программы?

– Этим занимаются учёные разных областей космической науки. Например, я руковожу отделом ядерной планетологии, и это та ниша, которая даёт нам большие конкурентные преимущества для участия в космических исследованиях, в том числе в зарубежных планетных проектах НАСА и ЕКА. У нашей страны есть великие достижения как в космических исследованиях, так и в ядерной физике. Они были в своё время и до сих пор остаются основой наших щита и меча. Работая на стыке этих наук, мы можем делать очень полезные для исследований планет космические приборы на основе достижений ядерной физики и опыта космических исследований.

Многие планеты и их спутники излучают нейтроны и гамма-лучи. Причина простая – по ним бьют космические лучи, наполняющие весь космос. На Землю они не попадают, потому что нас защищает атмосфера и магнитное поле. А, например, Луна или Марс находятся под их воздействием. Мы регистрируем гамма-лучи и нейтроны, фактически просвечивая верхний слой вещества глубиной около 1-2 метра. Умение использовать ядерно-физические приборы для выяснения состава вещества небесных тел – это наша сильная сторона в конкурентной борьбе за право участвовать в космических проектах.

Наши приборы сейчас работают в российском сегменте МКС, на трёх американских аппаратах и на двух аппаратах Европейского космического агентства. Изучаем с их помощью Луну и Марс, летим на Меркурий. При создании наших приборов мы тесно сотрудничаем с ОИЯИ в Дубне, совместно работаем с коллегами из замечательного ВНИИ автоматики им. Н.Л. Духова, одного из основоположников оружейной ядерной физики. Сейчас на марсоходе НАСА «Curiosity» работает созданный в этом институте нейтронный генератор,  и это позволяет просвечивать марсианскую поверхность, определять, сколько воды присутствует в грунте под колёсами марсохода. Так достижения наших коллег в области ядерной физики помогают нам исследовать Луну и Марс.

Фото: David Duarte and Romualdo Caldas, nasa.gov