Астрономия на Луне

Эра космонавтики значительно расширила возможности астрономии. Астрономы получили возможность размещать телескопы за пределами земной атмосферы, которая вносит значительные искажения в изображения оптики и не пропускает определенные длины волн. Неудивительно, что их внимание давно привлек наш естественный спутник в качестве площадки для проведения внеземных наблюдений астрономических объектов. Преимущества Луны в этом смысле несомненны. Во-первых, Луна лишена атмосферы, что создает куда более благоприятные условия для наблюдений в оптическом диапазоне. Наблюдения с Луны могут проводиться также и в невидимых диапазонах волн – в инфракрасном диапазоне, радиодиапазонах и других. Сюда следует добавить низкую по сравнению с земной угловую скорость вращения лунного небосвода. Таким образом, с поверхности Луны проще фотографировать небесные тела с длинной выдержкой, а это позволит куда детальнее исследовать со слабой светимостью, например, искать новые экзопланеты. Даже оптический телескоп с зеркалом диаметром 1 м позволит достичь разрешающей способности в одну десятую угловой секунды. Уже такой небольшой аппарат позволит регистрировать изменения яркости переменных и квазаров, причем при гораздо менее продолжительной экспозиции. 

Поговорим подробнее о предлагаемых в последние годы проектах постройки оптических телескопов-рефлекторов на лунной поверхности. Интересное предложение высказал американский астроном Питер Чен из Центра космических полетов им. Годдарда (США). Как известно, одним из главных препятствий для постройки на Луне является огромная дороговизна доставки материалов с Земли. Чен предлагает использовать лунную пыль – реголит – в качестве основного материала для телескопа с диаметром зеркала 50 м. Доставить с Земли потребуется лишь углеродные нанотрубки и эпоксидную смолу, которые будут смешиваться с реголитом. Прочность материала сопоставима с бетоном. Однако зеркало телескопа должно иметь высокоточную обработку – этого сложно достигнуть даже на Земле. 

На данный момент существуют планы размещения небольшого лунного телескопа в кратере Малаперт у южного полюса Луны. Радиотелескоп, находящийся там, будет в стороне радиопомех со стороны Земли. Интересно, что, по сообщениям в печати, частная компания Moon Express планирует посадить две автоматические станции с оптическим и 2-метровым радиотелескопом на одном из склонов гряды Малаперт. Поскольку кратер Малаперт «смотрит» на Землю, размещение там телескопов позволит избежать расходов на орбитальные ретрансляторы. Также там можно не опасаться сильных перепадов температуры, а солнечные батареи могут получать энергию на протяжении почти полных лунных суток. 

Интересная схема предложена Роджером Эйнджелом – это так называемый «жидкий телескоп». Подобный шестиметровый «жидкий» телескоп – Large Zenith – уже работает на Земле. Принцип его работы в следующем: вращающаяся чаща покрыта тончайшим слоем отражающей жидкости на основе ртути. Расположенная под зеркалом точная адаптивная система производит тонкую корректировку формы зеркала. Благодаря такому устройству можно создавать зеркала значительно большего диаметра, даже и ста метров, что недостижимо в случае космического орбитального телескопа. Минусом такой системы является недопустимость отклонения ее на значительный угол, так как форма зеркала при этом исказится. Любопытно, что данная схема была предложена итальянским астрономом Капоччи еще в 1850 году. 

Увлекательной и сложной инженерной задачей является сооружение телескопа на обратной стороне Луне, на которой на данный момент не работал еще ни один аппарат. Поверхность обратной стороны Луны – превосходная площадка для размещения радиотелескопов, поскольку вся толща нашего естественного спутника заслонит такой аппарат от радиопомех с Земли (Луна вращается вокруг своей оси таким образом, что к Земле обращено только одно ее полушарие – у астрономов это называется синхронным вращением), а отсутствие у Луны ионосферы позволит наблюдать радиоисточники низко над лунным горизонтом, что опять-таки выгодно отличает наш естественный спутник от Земли.

Новый толчок получит исследование низкочастотных радиоисточников, с частотой менее двух мегагерц, наблюдение которых невозможно с поверхности нашей планеты из-за их поглощения земной атмосферой. Проект размещения двухсот дипольных антенн на обратной стороне Луны для приема частот от 50 килогерц до 30 мегагерц был предложен американскими инженерами Дугласом и Смитом еще в 1980-е годы (проект Very Low Frequency Array, VLFA). Антенны должны объединяться в сеть диаметром в 20 км. Данная система позволит предсказывать предстоящие вспышки на Солнце, изучать планетарные магнитные поля, пульсары и внегалактические радиоисточники. 

Следует упомянуть крайне незначительный уровень сейсмической активности Луны – энергия обычного «лунотрясения» в 100 миллионов раз меньше, чем на Земле. В этом – еще одно преимущество лунных интерферометров, так как для их успешной работы требуется знать расстояние между их принимающими элементами с точностью до одной десятимиллионной метра. 

Полезно было бы разместить не одну приемную антенну, а целый радиоинтерферометр с базой Земля-Луна, разрешающая способность которого позволит, например, регистрировать экзопланеты, сопоставимые по размерам с Юпитером. Интерферометр представляет собой два или более телескопа, работающие в «связке». Сигналы от одного объекта, принятые ими, комбинируются, в результате чего достигается точность и детальность наблюдений, равная результатам одного гипотетического телескопа с диаметром, равным расстоянию между крайними телескопами интерферометра. 

Следует сказать, что преимущество радиоантенны над «оптикой» на лунной поверхности состоит в том, что ей не страшна лунная пыль, и можно проводить сколь угодно продолжительные наблюдения, не зависящие от времени лунных суток. 

Не стоить забывать и про инфракрасные телескопы. По данным сотрудника Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL) Дж. Бурке некоторые лунные кратеры вблизи полюсов Луны находятся постоянно в тени, благодаря чему в них поддерживается температурный режим без резких перепадов со средней температурой около - 200 градусов по Цельсию. А инфракрасные датчики функционируют только в сильно охлажденном состоянии около этой температуры для предотвращения тепловой зашумленности от электроники телескопа. Следовательно, поместив такой телескоп в подобном, постоянно затененном кратере, можно отказаться от сложных криогенных установок и пополнения запасов хладагента. 

Правда, будущим строителям лунных телескопов придется принимать во внимание и недостатки лунной среды. Во-первых, практически полный вакуум вместо атмосферы означает, что Луна постоянно «бомбардируется» заряженными частицами и солнечным ветром, а также мелкими метеоритами. Даже миллиметровые повреждения зеркала телескопа недопустимы, поэтому придется придумывать особые навесы для их защиты. Ко всему прочему, резкие перепады температуры от лунного дня к лунной ночи (от - 173 градусов Цельсия ночью до более +100 на солнце) требуют решать проблему температурной деформации оптических зеркал, например, подбирая правильный состав композитных материалов. 

Также перспективной является и установка регистраторов гамма-излучений (кратковременных высокоэнергетических всплесков излучения за пределами Солнечной системы) и рентгеновских источников. Данные с целой сети таких датчиков помогли бы устанавливать их местонахождение с высокой точностью (до одной угловой секунды). 

Подводя итоги, можно сказать со всей уверенностью, что лунная астрономия имеет потрясающие перспективы и, вероятно, первые лунные радиотелескопы появятся на нашем естественном спутнике уже в первой половине нынешнего столетия. 

Автор: Dmitry Blackfield © 2016