Помоги проекту - поделись книгой:
Сравнение видимых с Земли угловых размеров Луны и галактики Водоворот. NASA/ESA
Сложно поверить, что телескоп, который в мельчайших деталях рассматривает далекие галактики и звезды, не может увидеть следы людей на близкой Луне. Такое кажущееся противоречие у нас возникает от того, что невооруженным глазом мы не видим галактики в небе и нам кажется, будто они бесконечно далеки, раз их наблюдают в такой гигантский телескоп. К сожалению, галактики не только далекие, но и бледные. К примеру, ближайшая соседняя большая галактика Андромеды на нашем небе имеет видимый угловой размер 3 градуса. То есть ее ширина равна шести видимым диаметрам Луны, но наши глаза просто не позволяют увидеть красоту Андромеды. Для того чтобы рассмотреть ее подробности, потребуется найти место вдали от городов и ярких источников света, дождаться ясной погоды, установить фотокамеру на штатив и поворотный механизм, выставить долгую выдержку на десятки секунд или минут. Только так, накопив свет на матрице, мы сможем увидеть на фото галактический диск.
Другие галактики располагаются еще дальше, но и они были бы видны невооруженным глазом, если бы были ярче. Например, галактика Водоворот позволяет в деталях рассмотреть структуру двух галактических спиралей. Видимый угловой размер этой галактики – 10 угловых минут, т. е. мы могли бы увидеть ее даже невооруженным глазом или рассматривать в бинокль, но – увы! Телескопу Hubble потребовалось 45 минут, чтобы сделать шикарный снимок галактики Водоворот.
В сравнении с видимым размером Луны, галактика Водоворот заняла бы целое Море Дождей, или треть диаметра Луны, что тоже слишком много относительно следов людей. Ядро галактики поместилось бы в 15-километровом кратере, но лунные модули еще меньше…
Кто, кроме американцев, фотографировал места посадок на Луне?
КРАТКИЙ ОТВЕТ: Места посадок программы Apollo снимали европейский, японский, индийский и китайские окололунные аппараты. Все, кроме европейского, смогли рассмотреть признаки пребывания людей на Луне, в том числе лунные модули, оставленное оборудование и следы людей.
После завершения программы Apollo и советской серии автоматических межпланетных станций «Луна» полеты к естественному спутнику Земли прекратились на 14 лет. В 1990-е годы запуски автоматических станций возобновились, но первые попытки увидеть из космоса места посадок Apollo были предприняты уже XXI веке.
В 2005 году в русскоязычных СМИ появилась информация, что лунный орбитальный зонд SMART-1 проверит место посадки Apollo 11. Малый космический аппарат SMART-1 создавался Европейским космическим агентством для испытания новых технологий, а также для начала изучения Луны. Экспериментальный характер аппарата и малый бюджет программы – €110 млн – не позволяли нагрузить его сложным и дорогостоящим оборудованием. Поэтому фотокамера на его борту была довольно скромной, весом всего 35 г, с небольшой оптикой и фотоматрицей размером 1024×1024 пикселей. Спутник летал на высокоэллиптической орбите, снижаясь только у южного полюса Луны.
Выражаю признательность за помощь в подготовке главы инженеру-программисту и популяризатору астрономии Игорю Тирскому за большую работу по преобразованию научных данных в удобный формат изображений. Только благодаря ему мы увидели китайские, японские и индийские снимки мест прилунения Apollo
Пролеты над экваториальной частью, где располагаются места посадок Apollo, SMART-1 совершал на высоте 1700–2000 км. С такой высоты разрешение снимков не превышало 150 м, что в полтора-два раза хуже, чем у околоземного космического телескопа Hubble, который также не в состоянии увидеть лунные модули.
Российские журналисты, которые поторопились написать о «проверке Apollo 11», просто ошибочно поняли слова научного руководителя программы SMART-1 Бернарда Фоинга (Bernard Foing). В комментарии информационному сайту space.com тот пояснил:
Место посадки Apollo 11. Снимок Smart-1. ESA
В данном случае ученый применил специальный термин
В качестве испытательной цели европейские ученые выбрали участок в юго-западной части Моря Спокойствия, куда прилунились Нил Армстронг и Эдвин Олдрин. Небольшая оптика камеры и высота в 1764 км не давали возможности рассмотреть какие-либо следы пребывания людей. Тем не менее снимок Моря Спокойствия получился удачным, и ESA его опубликовало. На нем можно рассмотреть кратеры Олдрин и Коллинз диаметром 3,4 и 2,4 км, которые получили свои названия уже после успешной высадки Apollo 11.
SMART-1 также снял и место прилунения Apollo 15, но с высоты 2000 км, т. е. возможность рассмотреть следы людей была еще меньше.
После европейцев к Луне запускали автоматические зонды Китай – Chang'e («Чанъэ») 1 и 2, Индия – Chandrayaan-1 («Чандраян»), Япония – Kaguya («Кагуя»). Все они оборудовались картографическими камерами для создания полной карты Луны. Прямой задачи увидеть следы людей на Луне перед ними не ставилось, но их оптика уже позволяла рассмотреть самые крупные объекты на Луне, созданные человеческими руками: лунные модули и пятна, оставленные ракетными двигателями.
Китайские орбитальные зонды Chang'e 1 и 2 стартовали в 2007 и 2010 годах. Первый проработал 16 месяцев, пока не разбился о поверхность. Второй оказался более успешным: после 8 месяцев работы у Луны он был отправлен за пределы окололунной орбиты, вышел в точку Лагранжа L2 системы Земля – Солнце, сумел встретиться с астероидом Таутатис, а теперь движется вокруг Солнца на расстоянии более 100 млн км от Земли. Каждый из космических аппаратов выполнил свои картографические задачи. Chang'e 1 создал полную карту Луны с разрешением 50 м. Chang'e 2 улучшил этот результат до 7 м. Такие снимки позволили бы увидеть лунный модуль или тень от него в виде одной или нескольких точек. Однако представители Китайского космического агентства не прилагали усилий к публикации таких снимков.
В 2012 году китайское государственное информационное агентство «Синьхуа» процитировало слова Яна Джуна (Yan Jun), старшего научного сотрудника китайского проекта исследования Луны (China's lunar exploration project, CLEP), о том, что Chang'e 2 удалось рассмотреть следы высадки американских астронавтов. Хотя фото и в тот момент не показали.
Наконец, сравнительно недавно, в 2018 году, Китайское космическое агентство опубликовало полный банк данных, собранных космическими аппаратами Chang'e 1, 2 и 3. В том числе и картографические снимки Луны от зонда Chang'e 2 разрешением 7 м! Такая детализация позволяет рассмотреть лунные модули размером 10 м, пылевое гало от воздействия ракетных двигателей и наиболее вытоптанные участки местности.
Снимки Chang'e 2 сделаны в разное время лунных суток, и для поиска мест прилунений хуже всего подходит полуденное время, когда модули практически не отбрасывают тени и сливаются с фоном. Apollo 11 сняли именно в это время.
Зато при высоком солнце наиболее контрастно выделяются следы человеческих ног и колес луномобилей LRV. Хотя китайские аппараты не могли рассмотреть узкую цепочку следов, но места, где люди много работали, например в месте установки флага или научных приборов ALSEP, уже можно рассмотреть. Также в месте посадки Apollo 11 можно рассмотреть светлую полосу трассы финального этапа полета лунного модуля (с востока на запад), когда двигатель уже воздействовал на поверхность, но корабль сохранял горизонтальную скорость.
Места посадок на Луне по программе Apollo в съемке китайской автоматической межпланетной станции Chang'e 2. CNSA/CLEP
Место посадки Apollo 11, снятое китайским зондом Chang'e 2 (слева) и американским LRO (справа) в 2010 году. CNSA, NASA
Утреннее или вечернее боковое освещение позволяет лучше рассмотреть контрастную черную тень на светлом грунте. Самый светлый грунт оказался в месте прилунения Apollo 16, благодаря контрасту снимок его Chang'e 2 стал самым детальным из всех мест посадок, увиденных китайскими аппаратами.
Кроме модуля Apollo 16, восточнее на снимке можно рассмотреть темное пятно, которое соответствует стоянке луномобиля LRV. Также виден участок треугольной формы наиболее потревоженного ногами астронавтов грунта – там, где устанавливали блок научных приборов ALSEP и сейсмометр.
Место посадки Apollo 16, снятое китайским зондом Chang'e 2 (слева) и американским LRO (справа) в 2010 году. CNSA, NASA
Индийский космический аппарат Chandrayaan-1 стартовал в конце 2008 года и проработал десять месяцев. Он занимался геологическим картографированием поверхности в разных спектральных диапазонах, радарным зондированием, измерением радиации, но и обычная черно-белая (панхроматическая) камера у него имелась. Можно сказать, камер было даже три: одна вела съемку непосредственно под спутником, а две смотрели под углом 25 градусов к местности вперед и назад. Такая съемка с угловых ракурсов позволяет создавать трехмерные модели ландшафтов. Разрешение снимков индийской Terrain Mapping Camera ожидалось 5 м с высоты 100 км, при этом ширина полосы снимка достигала 20 км.
К сожалению, программа полета Chandrayaan-1 прервалась раньше запланированного срока, поэтому аппарат не закончил картографирование местности, но несколько мест посадок по программе Apollo попало в объективы его камер.
Место посадки Apollo 15, снятое индийским зондом Chandrayaan-1 (слева) в 2009 году и американским LRO (справа) в 2010 году. ISRO, NASA
Через полтора месяца после выхода Chandrayaan-1 на штатную 100-километровую орбиту он пролетел над местом посадки Apollo 15 и сделал три кадра с разрешением до 10 м. Этого было недостаточно, чтобы увидеть отдельные следы, оставленные астронавтами или луномобилями, но индийские ученые обратили внимание на гало вокруг посадочной ступени, которое «сдул» ракетный двигатель лунного модуля.
Если провести более пристальное сравнение снимков индийского аппарата и американского LRO, то можно заметить и другие признаки человеческого присутствия в этой местности. Темным пятном выделяется район установки научных приборов ALSEP, включая сейсмометр. Кроме этого, два ярких пикселя соответствуют двум элементам экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ), которые были сорваны с нижней ступени лунного модуля при старте корабля. Их размер меньше 10 или даже 5 м, но они видны благодаря удачному блику, отброшенному в камеры Chandrayaan-1.
Место посадки Apollo 14, снятое индийским зондом Chandrayaan-1 (слева) в 2009 году и американским LRO (справа) в 2011 году. ISRO, NASA
Один из этих фрагментов ЭВТИ (западнее модуля) – теплозащитное «одеяло», которое укрывало внешний блок инструментов MESA (Modular Equipment Storage Assembly) на лунном модуле. Теплоизоляция была снята астронавтами при распаковке инструментов и отброшена ракетными газами при старте с Луны. Ее полет виден в записи из иллюминатора стартующего корабля.
Более детально Chandrayaan-1 сумел рассмотреть место посадки Apollo 14. За исключением съемки американского LRO, на сегодняшний день это самое качественное изображение места посадки Apollo. На снимке можно рассмотреть темное пятно лунного модуля и тропинки, проложенные астронавтами. Хотя разрешение снимка не превышает 5 м, наиболее контрастные области можно рассмотреть, даже если они меньше. При высадке Apollo 14 еще не было луномобиля LRV, но для повышения мобильности и эффективности исследования применяли дополнительную тележку MET (Modular Equipment Transporter). Видимо, благодаря ей, а также светлому цвету лунного грунта на снимке удается рассмотреть участки, где перемещались астронавты. Сравнивая снимки Chandrayaan-1 и LRO, можно увидеть не только наиболее интенсивно вытоптанную область между лунным модулем и научными приборами, но место установки телекамеры и две тропинки в восточном направлении.
На индийском снимке места прилунения Apollo 14 особое внимание стоит уделить двум светлым пикселям, которые соответствуют двум наиболее заметным научным приборам: сейсмометру и лазерному уголковому отражателю (ретрорефлектору). Сами приборы всего около метра в поперечнике, но один покрыт блестящей «фольгой» экранно-вакуумной теплоизоляции, а второй содержит множество зеркал, которые эффективно отражают свет, если он падает под определенным углом.
Любопытно, что лазерный ретрорефлектор – это прибор, который продолжает работу до сих пор: исправно возвращает фотоны, посланные в него лазерным лучом с земных обсерваторий, позволяя уточнять расстояние до Луны с точностью до сантиметра, хотя оседающая пыль постепенно снижает эффективность подобных приборов. Всего на естественном спутнике Земли пять ретрорефлекторов: три установлены астронавтами Apollo, два находятся на борту советских «Луноходов».
Японская Kaguya стартовала в 2007 году и несла солидный арсенал научных приборов, были даже две телевизионные камеры, которые сняли прекрасные виды полета по окололунной орбите. Несла Kaguya и картографическую камеру Terrain Camera, которая занималась съемкой поверхности в панхроматическом диапазоне. Этой камере также удалось снять места посадки космических аппаратов Apollo, в том числе и Apollo 15, которому повезло оказаться на кадрах практически всех аппаратов с камерами.
Разрешение японской камеры было немногим лучше, чем у индийского аппарата, и примерно такое же, как у китайского. На изображении Apollo 15 от Kaguya мы также можем рассмотреть пятно на грунте, очищенном от верхнего слоя пыли. И в центре этого пятна можно увидеть черную точку. Сопоставляя расположение этой черной точки со снимками места посадки Apollo 15 от других космических аппаратов, можно сделать вывод, что мы видим тень, которую отбрасывает нижняя часть лунного модуля Apollo.
Место прилунения Apollo 15, снятое японским зондом Kaguya (слева) в 2008 году и американским LRO (справа) в 2010 году. JAXA, NASA
Снимок картографической камеры Kaguya имеет разрешение около 10 м, что в полтора-два раза хуже съемки индийского Chandrayaan-1. Однако можно рассмотреть темное пятно, совпадающее формой и расположением с вытянутой в северо-западном направлении тенью спускаемой ступени лунного модуля. Едва заметное темно-серое пятно восточнее модуля совпадает с расположением луномобиля LRV. А вытянутая на несколько десятков метров в северо-западном направлении узкая темная полоса соответствует следам, которые оставили астронавты, которые ходили между модулем и блоком научных приборов ALSEP.
Снимки всех мест посадок Apollo и других программ в гораздо более высоком качестве удалось получить только американскому космическому аппарату LRO.
Почему места посадок Apollo лучше всего сняли американцы?
КРАТКИЙ ОТВЕТ: В NASA сделали космический аппарат с самой совершенной камерой, по сравнению с камерами всех лунных аппаратов на момент запуска в 2009 году, и выбрали самую низкую орбиту.
Начиная со старта в 2009 году, космический аппарат NASA LRO несколько лет составлял практически полную карту Луны разрешением 0,5 м. Это на порядок превосходит лунные картографические успехи Японии, Индии и Китая и соответствует разрешению лучших космических снимков Земли, используемых в сервисах Google и «Яндекс». Некоторые снимки LRO достигают разрешения 0,3–0,4 м – с таким высоким качеством американские ученые снимали советский «Луноход-2» и место высадки экипажа Apollo 17. Более того, LRO проводил многократную съемку всех мест посадок программы Apollo, что позволяет рассмотреть лунную местность в разное время суток, в зависимости от угла солнечного освещения.
Кому-то может показаться странным, что единственные убедительные снимки следов американцев на Луне удалось получить только американскому орбитальному аппарату. На то есть вполне объективные причины, связанные как с научной программой, так и с богатым опытом NASA в разработке и создании космической техники.
Европа, Китай, Индия и Япония в 2000-х годах были новичками в межпланетной космонавтике. Лунные запуски этих стран во многом носили экспериментальный характер, они учились и поэтому не предполагали, что их окололунные станции смогут работать долгие годы. Действительно, запущенные аппараты проработали около года, это довольно солидный срок для первого раза, но недостаточный для получения полных данных высокого качества по всей Луне. С другой стороны, межпланетная космонавтика выполняет не только научные задачи, но и должна способствовать повышению государственного престижа. Аппаратам требовалось не просто долететь, но и продемонстрировать какие-либо значимые достижения или открытия в течение короткого промежутка времени. К сожалению для новичков, практически все заметные лунные успехи уже достигнуты космонавтикой Советского Союза и США в 1950–1970-х годах. Нынешним исследователям осталось только составить полную карту Луны и провести более углубленные картографические исследования, которые не успели осуществить ранее.
Практически каждый аппарат вышеперечисленных стран выполнял задачу: получить полную карту поверхности Луны с максимально возможным разрешением. Для этой цели программа полета делилась на несколько этапов по высоте орбиты. С достаточно высокой полярной орбиты широкоугольной фотокамерой сделать полную карту Луну можно примерно за четыре земных недели – одни лунные сутки. Снизив орбиту вдвое, можно также вдвое увеличить разрешение снимков поверхности. Но если мы используем ту же фотокамеру, то ширина видимой полосы съемки сократится вдвое, т. е. для получения полного лунного глобуса летать придется дольше – месяцы и годы.
На Луне нет достаточно плотной атмосферы, которая мешала бы полету космического аппарата на низкой высоте. Но по мере приближения к лунной поверхности начинают сильнее действовать неоднородности лунного гравитационного поля – так называемые масконы, или концентрации массы. Если орбита окололунного аппарата ниже 100 км от поверхности Луны, то масконы могут привести к быстрой деградации орбиты и падению зонда за считанные недели или месяцы. Чтобы предотвратить столкновение, окололунному аппарату приходится корректировать орбиту и расходовать на это топливо. После исчерпания запасов топлива низкоорбитальный полет вокруг Луны также длится недолго.
Работа SMART-1, Chang'e 1, Chandrayaan-1 и Kaguya примерно так и проходила: успешная картография и другие исследования на орбитах 100 км и выше; снижение и частичная картография с более высоким разрешением; непродолжительная работа на низкой орбите около 50 км и выход из строя или падение. Исключением стала только автоматическая межпланетная станция Chang'e 2, которая сначала вышла на эллиптическую орбиту 15–100 км, проработала там менее года и покинула ее, вообще улетев от Луны. Орбита американского LRO вытянута, в обычном режиме максимальное сближение с поверхностью Луны составляет 20 км в районе южного полюса, а удаление – 160 км.
Все эти подробности необходимо знать, чтобы понять, почему этим космическим аппаратам не удалось увидеть отчетливо следы людей. Аппарат NASA LRO создавался на предприятиях, которые имеют богатый опыт разработки и производства межпланетных космических аппаратов и научных приборов к ним. Научная программа LRO была рассчитана на три года, хотя он успешно проработал уже десять лет. За последние 20 лет NASA успешно запустило к Луне пять космических аппаратов, а к Марсу шесть. Часть технологий использовалась в обоих направлениях, в том числе и камеры.
Еще одно преимущество NASA, которое помогает получать больше данных с Луны, – система дальней космической связи (Deep Space Network, DSN). Антенны этой системы расположены в Калифорнии, Испании и Австралии, поэтому NASA может поддерживать связь со своими межпланетными аппаратами круглые сутки. У других же стран принимающие станции стоят на их территории, поэтому связь может длиться не более 8–10 часов в сутки. То есть один и тот же космический аппарат мог бы передать в два-три раза больше данных, в том числе фотоснимков, но не может это сделать из-за наземных ограничений.
LRO оснастили двумя наборами камер с разным типом оптики. Широкоугольная камера (Wide angle camera, WAC) охватывает поле зрения в 60 градусов, что с высоты 50 км позволяет получать снимки полосы поверхности шириной 100 км и разрешением 100 м. Это хорошо подходит для быстрой картографии нашего спутника, но не позволяет рассмотреть следы людей. LRO сумел получить полную карту Луны своей широкоугольной камерой примерно через год с начала научной программы.
Для самой высокодетальной съемки на LRO предусмотрена еще одна камера – узкоугольная (Narrow angle camera, NAC). А точнее, это две одинаковые камеры, которые совместили, чтобы они захватывали больше поверхности за один проход орбитального аппарата. Пара NAC с высоты 50 км захватывает полосу поверхности шириной всего 5 км, зато видит с разрешением 0,5 м. Несколько лет пришлось копить снимки камеры NAC, чтобы осмотреть практически всю Луну в высоком разрешении.
NAC LRO в процессе подготовки к полету к Луне. NASA
Конструкция камеры NAC LRO отличается от обычной фотокамеры. Как и многие околоземные спутники для съемки поверхности Земли, NAC использует технологию «пушбрум». С такой технологией космический аппарат не делает отдельные полноформатные кадры, к которым мы привыкли, а сканирует узкой линейкой светочувствительных элементов подобно тому, как обычные офисные сканеры проводят светочувствительной линейкой над бумагой. Сканирующая линейка – это длинная и узкая фотоматрица, делающая множество снимков с короткой выдержкой, которые потом объединяются в протяженные фотопанорамы, такие панорамы было бы сложно получить одним кадром привычной камеры.
В стремлении рассмотреть самые мелкие детали LRO несколько раз совершал орбитальные маневры, чтобы 20-километровая нижняя точка орбиты проходила над местами посадки Apollo 17 и «Лунохода-2». К сожалению, разрешение снимков удвоить не удалось, несмотря на сокращение расстояния. Кадры с низкой орбиты получились «сжаты» высокой скоростью проносящейся под камерой поверхности. После обработки кадры показали изделия человеческих рук на Луне с разрешением 0,35–0,40 м. Этого оказалось достаточно, чтобы рассмотреть лунный автомобиль LRV.
Сейчас LRO продолжает накапливать данные о Луне, уточняет прежние результаты, регистрирует немногочисленные изменения поверхности. Все современные аппараты, которые совершают посадку на Луну или разбиваются о ее поверхность, также удостаиваются внимания LRO. Запаса топлива должно хватить еще на несколько лет, поэтому он еще немало сможет рассказать о нашем естественном спутнике.
Место посадки Apollo 11 в разное время суток, снятое утром, в полдень и вечером камерой NAC LRO. NASA
Что особенно важно, все фотографии LRO имеются в открытом доступе, и любой желающий может их изучать через интернет. Так, например, российские ученые смогли рассмотреть следы советских луноходов и уточнить дальность пробега каждого из них. Также можно изучать и следы, оставленные людьми в ходе программы Apollo. Снимки LRO позволяют рассмотреть тропинки, протоптанные астронавтами, следы роверов LRV, оставленное оборудование и разбросанный мусор. Многократная съемка в разное время суток позволила рассмотреть тень установленных флагов, которые сохранились до настоящего времени. Астронавт Apollo 11 Эдвин Олдрин сообщал, что видел, как струя реактивных газов во время старта с Луны сбила установленный флаг, и NAC LRO смогла это подтвердить.
Похожие обнародованные архивы имеются и для европейских, японских, китайских и индийских данных по Луне, однако для их получения требуется регистрация на сайтах и специальное программное обеспечение для работы со снимками. В работе серверов с научными материалами индийцев и китайцев неоднократно замечены сбои: они бывают недоступны по несколько дней или недель.
Почему качество спутниковых снимков Луны не лучше спутниковых снимков Земли или Марса?
КРАТКИЙ ОТВЕТ: Качество снимков определяется научными задачами, и съемка следов человека на Луне изначально не ставилась перед LRO. Его камера в несколько раз меньше тех, что снимают Землю или Марс. Кроме того, качеством съемки LRO пожертвовали ради увеличения площади снимаемой поверхности Луны, что позволило создать полную карту в самом высоком качестве.
Лучшим подтверждением реальности полетов людей на Луну являются их следы, оставленные полвека назад в реголите естественного спутника Земли. Правда, увидеть их – непростая задача. Луна находится слишком далеко, чтобы рассмотреть с Земли какие-либо признаки посещения человека.
Снимки Луны с самым высоким разрешением удалось сделать космическому аппарату NASA Lunar Reconnaissance Orbiter. LRO удалось рассмотреть места посадок Apollo и почти всех автоматических станций США, СССР и Китая, а также места падения аппаратов Европы, Индии и Израиля.
К сожалению, разрешающей способности в 0,5 м оказалось недостаточно, чтобы рассмотреть отдельные следы астронавтов, хотя протоптанные ими тропинки видны достаточно ясно. Конечно, хотелось бы рассмотреть еще лучше свидетельства такого выдающегося достижения человека, как шаги по Луне, но научные задачи LRO выходили далеко за пределы исторических.
Задачи межпланетной станции LRO:
● изучение окололунной среды: пыль, метеориты, радиация;
● геологическая картография всей поверхности Луны с высоким разрешением: распределение полезных ископаемых и воды в поверхностном слое;
● разведка площадок для будущих спускаемых аппаратов, в том числе пилотируемых.
Поделиться книгой: