Блог Даніеля Маріна

Одісея води на Місяці не повторюється так, як вода на Марсі, але майже. Час від часу з’являється дослідження щодо присутності оксидану в нашому супутнику, і, як це нормально в ті часи, коли тривалість уваги практично дорівнює нулю, завжди виникає хвилювання. Звичайно, якщо ми хочемо зрозуміти цю історію, нам потрібен трохи контексту. У Місяця немає атмосфери, і, на відміну від Марса, у неї ніколи не було такої, що гідна цього імені. Це означає, що вода ніколи не могла текти по поверхні. Але це також те, що кількість води, присутньої в місячному грунті, практично дорівнює нулю, що є ще однією суттєвою відмінністю від червоної планети. Тож звідки береться думка, що наш посушливий і безплідний супутник може мати воду?

історія
Поверхневі відкладення льоду на південному полюсі Місяця (лівий) та північному полюсі згідно з даними індійського зонда Chandrayaan 1 (NASA).

Ще в 1961 році деякі астрономи припустили, що вода може накопичуватися у вигляді льоду всередині деяких полярних кратерів, дно яких завжди в тіні. Темрява на дні цих кратерів є результатом невеликого нахилу осі обертання Місяця, який становить лише 1,5º. Гаразд, але звідки б взялася ця вода, якщо Місяць сухіший за моджаму? Ну, від зіткнення комет і астероїдів з великим вмістом летких речовин. Вода сублімується при зіткненні з Місяцем і розпорошується по більшій частині поверхні в газоподібному вигляді. З часом він зникне і загубиться в космосі, але невелика кількість може накопичуватися на дні цих кратерів, які ніколи не бачать сонячного світла.

Мозаїка зображення південного полюса Місяця, побачена зондом Клементини. Затінені ділянки вдячні (NASA/DoD).

На жаль, незважаючи на численні космічні місії, які були розпочаті в 1960-х та 1970-х роках, лише в 1990-х рр. Ми змогли отримати досить детальну карту місячного рельєфу для оцінки площі поверхні полярних кратерів, знайдених в Постійна тінь, яка сьогодні ми знаємо, становить близько 13000 квадратних кілометрів. Довелося чекати до 1994 року, коли зонд «Клементина» - дивний проект, в якому співпрацювали НАСА та Міністерство оборони - вперше зможе сфотографувати гіпотетичні досі регіони вічної тіні. Але одна справа - існувати кратери, де лід може накопичуватися постійно, а зовсім інша справа - це насправді.

Зонд "Клементина" (NASA).

Місячний зонд (NASA). Дані Місячного пошуку за концентрацією водню на місячних полюсах (NASA).

Різниця є принциповою, оскільки в першому випадку ми говоримо про ресурс, який може бути використаний для підтримки місячної бази. Вода може використовуватися для отримання кисню та водню шляхом гідролізу, тобто за ту саму ціну ми маємо гарантовані запаси води, кисню та палива. Однак у другому випадку експлуатація льоду була б набагато складнішою за сучасних технологій, а використання технологій ISRU (In-Situ Resource Utilization) не було б таким привабливим. Радарні дослідження, проведені з наземними обсерваторіями на початку минулого десятиліття, надавали перевагу останньому варіанту, але, знову ж таки, вони не були остаточними. Потрібно було більше даних. У 2005 році адміністрація Буша-молодшого дала зелене світло Програмі "Сузір'я" з метою поставити людину на Місяць у 2020 році. Як попередній крок, кілька місячних таємниць довелося роз'яснити раз і назавжди, включаючи спірне питання полярного льоду. Більше за все, оскільки Програма «Сузір’я» передбачала встановлення місячної бази біля південного полюса, щоб скористатися передбачуваним льодом. Як результат, у 2009 році НАСА розробило та запустило зонди LCROSS (Місячний супутник спостереження та зондування Lunar CRater) та LRO (Orbiter Lunar Reconnaisance Orbiter).

Зонди LRO (верхній, срібний) та LCROSS (помаранчевий) перед запуском (NASA).

LCROSS навмисно врізався в південний полюс Місяця, щоб перевірити, чи не вдарить під удар ступінь Кентавра, яка раніше впала в область кратера Кабеус. Результати, на зміну, були безрезультатними. Здавалося, є лід, але дуже мало. Після численних аналізів дослідники дійшли висновку, що реголіт на місячних полюсах містив приблизно 5,6% льоду. Поступово переважала гіпотеза про змішування місячного льоду з реголітом. Це була погана новина для місячної бази, хоча це не мало великого значення, оскільки Програма «Сузір’я» буде скасована наступного року.

До і після впливу етапу Кентавра на південний полюс Місяця (NASA). Південний полюс Місяця і придатна для життя планета, яку бачив японський зонд Кагуя. Видно кратер Шеклтона, на краю якого НАСА хотіло встановити місячну базу, користуючись льодом на дні (NHK/JAXA).

Зі свого боку, ЛРО почав шукати докази невловимого місячного льоду, використовуючи всі можливі ресурси. З одного боку, лазерний альтиметр LOLA використовувався для перевірки однорідності відбивної здатності землі кратерів на полюсах чи ні. З іншого - застосовувався радар. В обох випадках, вгадайте відповідь, результати були заплутаними. Російський прилад LEND підтвердив і уточнив дані з нейтронного спектрометра "Місячний проспектор", тоді як прилад "DIVINER" показав, що температура на дні полярних кратерів підтримувалася від -234 до -121 ° C, більш ніж достатньо, щоб дозволити наявність лід безперервно. Але насправді вже з 2007 року було відомо, що кратери в постійній тіні не мають великих відкладень чистого льоду на своїй поверхні завдяки зображенням японського зонда Кагуя.

Дані російського нейтронного спектрометра LEND на борту зонда LRO про наявність водню на південному полюсі Місяця (NASA/Роскосмос). Дно кратера Шеклтона південного полюса Місяця, занурене у вічну тінь, побачене Кагуєю за допомогою світла, розсіяного освітленими ділянками. Тут немає великих родовищ чистого льоду (JAXA). Температури кратерів південного полюса Місяця вдень та вночі за даними LRO (NASA).

Отже, на початку цього десятиліття було ясно, що місячний лід був рідкісним і переважно змішаним з реголітом. Деякі оптимісти все ще вважали, що на нижній поверхні полярних кратерів можуть існувати невеликі поклади чистого льоду, але це потрібно було довести. І чому місячний лід такий невловимий? Головним чином тому, що спостереження - у видимому, в ультрафіолетовому, за допомогою лазерних альтиметрів або нейтронних спектрометрів - не здатні чітко розрізнити наявність води - тобто льоду - від присутності водню та гідроксильних груп, змішаних з реголітом. Гідроксильні групи та водень можуть походити з води, так, але також і від сонячного вітру (складається в основному з протонів). На цьому етапі зручно відокремлювати загадку льоду на полюсах, виявляючи молекули води та гідроксильні радикали в інших освітлених частинах Місяця - тема, про яку також раніше писали новини. Ця "вода" походить від взаємодії реголіту з сонячним вітром, і, хоча це дуже цікаве явище, вона знаходиться в газоподібній формі та у незначній кількості.

Нас також не слід плутати з водою, яка знаходиться в місячних скелях. Дійсно, тепер ми знаємо, що селенітові породи містять до 0,05% води. Без сумніву, його дуже мало і він не придатний для використання, але ці сліди води поставили під загрозу традиційну модель утворення Місяця. Згідно з цією моделлю, Місяць народився в результаті зіткнення протеарта з протопланетою розміром з Марс - або меншою - під назвою Тея. Але згідно з найпростішими версіями цієї моделі Місяць повинен бути повністю сухим, що не так, тому ми повинні переглянути процеси формування нашого супутника (найпоширенішою гіпотезою сьогодні є те, що зіткнення з Теєю мало місце, але спочатку утворилася структура розплавленого матеріалу, яка називається синестією). У будь-якому випадку, ці інші "води" не мають нічого спільного з полярним льодом.

Індійський зонд Chandrayaan 1 (ISRO).

Як раз і назавжди розчистити цей безлад? Ну, рішенням є спостереження в ближньому інфрачервоному діапазоні. На цих довжинах хвиль спектральний підпис води кристально чистий. У 2008 році індійський зонд Chandrayaan 1 прибув на Місяць, оснащений інфрачервоним спектрометром M3 (Мінералогічний Місячний Мапограф), який постачає НАСА, готовий назавжди розгадати загадку. Прилад виявив воду, але, на жаль, діапазон довжин хвиль, в якому він працював, був недостатньо широким, щоб однозначно відрізнити воду від гідроксильних груп. І ось так все залишалося до 20 серпня минулого року група дослідників опублікувала результати нового аналізу даних інструменту М3, зробленого майже десять років тому. Новизна полягає в тому, що дослідники змогли скористатися непрямим світлом, яке падає на тіньові області постійних кратерів, щоб виявити спектральний підпис води. На той час цей аналіз неможливо було зробити через систематичний шум спостережень, але дослідники на чолі з Шуай Лі розробили нову техніку, яка дозволяє отримувати життєздатні спектри.

Американський прилад M3 на борту Chandrayaan 1 (NASA).

Висновок полягає в тому, що в кількох постійно затінених кратерах, що знаходяться на відстані максимум 20 ° від кожного місячного полюса, є місячні відклади льоду. Давай, щось таке, що вже було відомо. Незважаючи на те, на що вказували багато ЗМІ, "новини" - це що завгодно, але не нова. Як ми бачили, з кінця останнього десятиліття ми точно знали, що на Місяці є вода. Вірніше, лід у полярних кратерах. Новизна полягає в тому, що в цьому випадку ми маємо остаточний доказ - спектр води не бреше - що на поверхні кратерів є чистий лід. Очевидно, і як вже показали зонди LRO та Kaguya, обсяг родовищ повинен бути дуже малим, але щось є щось. Як би мало це було, чистий поверхневий лід може бути легко використаний людьми та машинами для дослідження космосу. Або, що те саме, це різниця між вивченням Місяця чи не роблячи цього.

Поклади чистого льоду за сукупними даними зондів Chandrayaan та LRO (Shua Li et al.).

Але залишається питання, скільки льоду на Місяці. Оцінка в три мільярди тонн контрастує з кількістю льоду, виявленого в полярних кратерах Меркурія, яке, як вважають, у тисячу разів більше (!). Так, як ви можете почути, найближча до Сонця планета має на своїх полюсах набагато більше льоду - і чорного льоду, що ще гірше - ніж наш супутник, незважаючи на те, що поверхня в постійній тіні нижча (0,12% у Меркурії і 0,16% на Місяці). За цією різницею може бути вища гравітація Меркурія та інтенсивна взаємодія з сонячним вітром. Крім того, вважається, що Місяць зазнав змін у нахилі своєї осі обертання, що призвело б до руйнування частини його первинних відкладень льоду. Цікаво, що карликова планета Церера - це третє тіло Сонячної системи, в якому ми з повною впевненістю знаємо, що лід існує в полярних кратерах.

Постійно затінені кратери північного полюса Меркурія з відкладеннями льоду (Дойч та ін.).

Зрештою, так, на Місяці є лід, і так, частина його знаходиться у відносно чистих скупченнях на поверхні. Тепер залишається з’ясувати, про що ми говоримо і що ми маємо на увазі під «чистим». Але безсумнівно, що можливість використання місячного льоду для дослідження нашого супутника та решти Сонячної системи сьогодні набагато твердіша.