На протяжении большей части космической эры Луна считалась безводным миром. Однако в последние годы череда открытий показала, что по крайней мере некоторые части Луны, такие как большие постоянно затененные кратеры на ее полюсах, содержат значительные скопления водяного льда. На этой неделе два новых исследования, опубликованные в Nature Astronomy, показывают, что на Луне куда больше воды, чем считалось ранее.
Четкое обнаружение от атмосферной обсерватории
Ученые вновь заговорили о воде на Луне после изучения данных, собранных Стратосферной обсерваторией НАСА для инфракрасной астрономии (SOFIA). Она представляет собой модифицированный самолет Boeing 747SP, летающий на высотах выше 10 км, что обеспечивает его 2,7-метровому телескопу чистое небо без 99% водяного пара, мешающего наблюдениям. Это создает уникальную возможность, которая позволяет проводить быстрые наблюдения в инфракрасном диапазоне без использования дорогих космических телескопов.
В конце августа 2018 года группа во главе с Кейси Хоннибалл, научным сотрудником в Центре космических полетов имени Годдарда, использовала инфракрасные приборы на борту SOFIA для изучения освещенной Солнцем поверхности Луны. Наблюдения, которые длились всего 10 минут, были сосредоточены на области в высоких южных широтах недалеко от большого лунного кратера Клавий, и они показали сильное инфракрасное излучение с длиной волны шесть микрон от кратера и окружающего ландшафта. Иными словами, будучи нагретой Солнцем, поверхность Луны переизлучает поглощенное излучение, и в этом спектре есть молекулярная вода — обычная H2O.
«Нам неизвестен какой-либо другой материал, приемлемый для Луны, который также имеет линию в спектре на 6 мкм, кроме H2O», — сообщают Хоннибалл и ее коллеги-исследователи в своей новой статье. Авторы считают, что предполагаемая вода, скорее всего, хранится в вулканическом стекле природного происхождения или зажата между микроскопическими зернами каменной пыли.
Обсерватория SOFIA.
Такие сценарии могут обеспечить защиту от экстремальных температур и вакуума, позволяя воде сохраняться на поверхности Луны. Объяснений тому, как она туда попала, пока нет, но основное предположение состоит в том, что вода могла образоваться из свободного кислорода и водорода, высвободившихся из лунных пород в результате ударов микрометеоритов.
Обнаруженная концентрация воды не слишком велика: от 100 до 412 частей на миллион, то есть литр воды содержится приблизительно в трех кубометрах лунного грунта. Для сравнения, даже в самых засушливых регионах Сахары воды на два порядка больше. Однако нужно понимать, что за 10 минут работы стратосферная обсерватория успела исследовать лишь один участок — огромный ударный кратер Клавий, видимый с Земли. Поэтому остается шанс, что в других местах воды будет больше.
По словам Хоннибалл, использование SOFIA — это новый и уникальный подход к изучению Луны, но это не первый случай, когда наземные наблюдения уловили шестимикронное излучение от нашего спутника. По ее словам, наблюдения на воздушном шаре, выполненные астрономами Г. Р. Хантом и Дж. У. Солсбери более 50 лет назад, показали эту же особенность в спектре. Но Хант и Солсбери не упомянули об этом в своей статье, опубликованной в 1969 году. Вместо этого они сосредоточились на описании минералов на поверхности Луны. «Возможно, они просто не знали, что сделали огромное открытие», — размышляет Хоннибалл.
Стакан наполовину полон
Хоннибалл и ее коллеги уже получили дополнительное время для продолжения работы на SOFIA. «Мы надеемся составить водную карту большей части видимой Луны», — говорит она. «Меняется ли количество воды на поверхности Луны в зависимости от лунного времени суток и широты? Это поможет нам понять ее источники и где именно она находится».
А это, в свою очередь, может рассказать миру, насколько полезной окажется эта новооткрытая вода. Ее получение будет простым, если вода существует преимущественно на поверхности в каменных зернах: нужно всего лишь зачерпнуть лунный грунт и выпарить из него драгоценную влагу. Однако, если вода заперта в вулканическом стекле, его придется плавить, чтобы получить воду — а это гораздо более энергоемкий процесс.
Кратер Клавий — именно здесь SOFIA нашла воду.
«В настоящее время у нас нет четкого представления о том, будет ли эффективным плавление стекла для добычи воды», — говорит Хоннибалл. «Но есть шанс, это может быть более осуществимым вариантом, чем добыча водяного льда в постоянно затененных регионах, которые являются экстремальными средами, где трудно работать».
Джек Шмитт, геолог, который, как член экипажа Аполлона-17, остается единственным профессиональным ученым, побывавшим на Луне, говорит, что измерения SOFIA, возможно, обнаруживают не настоящую молекулярную воду, а нечто более неуловимое и непостоянное. Предыдущие исследования показали, что протоны солнечного ветра, бомбардирующего Луну, могут поглощать электроны из материалов на ее поверхности, образуя атомарный водород, который затем вступает в реакцию с атомами кислорода из силикатных горных пород, образуя гидроксил — молекулу OH, у которой всего одного атома водорода не хватает до воды. Однако Хоннибалл говорит, что излучение в шесть микрон, наблюдаемое SOFIA, не согласуется с гидроксилом.
В любом случае, независимо от того, какое вещество стоит за обнаруженной с помощью SOFIA спектральной особенностью, Шмитт отмечает, что простые химические процессы должны позволять получать влагу даже из абсолютно сухого лунного материала. «Нагрев водородсодержащего реголита до нескольких сотен градусов приведет к тому, что часть водорода вступит в реакцию с кислородом в силикатах с образованием воды практически в любом месте на Луне», — говорит он.
Маленькие тени таят в себе большие возможности
В другой статье, опубликованной вместе с исследованием SOFIA в журнале Nature Astronomy, говорится об открытии большого количества постоянно затененных участков на Луне — защищенных от солнечного света мест, известных как холодные ловушки, в которых чрезвычайно низкие температуры позволяют воде накапливаться, замерзать и храниться практически вечно.
Ученые десятилетиями изучали такие лунные регионы на предмет их водного потенциала, но предыдущие работы были в основном сосредоточены на больших холодных ловушках в огромных кратерах на полюсах Луны. Напротив, новое исследование расширяет диапазон рассматриваемых размеров холодных ловушек до одного сантиметра в диаметре.
На Луне хватает мест с вечной тенью — их помогает найти зонд LRO.
Анализируя изображения с высоким разрешением, полученные с орбитального аппарата Lunar Reconnaissance Orbiter, группа ученых во главе с планетологом Полом Хейном из Университета Колорадо обнаружила, что такие холодные микроловушки гораздо более распространены, чем хорошо изученные макроловушки вблизи полюсов Луны. Их работа увеличивает общую площадь поверхности, способную накапливать воду, примерно до 40 000 квадратных километров — сравнимо с площадью Московской области.
«Недавно обнаруженные холодные микроловушки являются крайне многочисленными на Луне, их в тысячи раз больше, чем было нанесено на карту ранее», — говорит Хейн. «Если все они заполнены льдом, это может дать нам значительное количество воды, возможно, миллионы тонн».
Однако Хейн добавляет, что отбор проб на месте роботами или астронавтами необходим для правильной оценки фактического содержания льда в каждой из ловушек. «Что действительно интересно в холодных микроловушках, так это то, что они намного более доступны, что может обеспечить более эффективную добычу и использование полученной воды как в научных, так и в прикладных целях», — говорит он.
Действительно, такое резкое увеличение крошечных потенциальных ледяных резервуаров делает их намного более доступными для будущих миссий, говорит Хейн, потому что они существуют в областях, где на залитой солнечным светом поверхности астронавт сможет удобно и безопасно использовать необходимые инструменты, чтобы добраться до холодной тени, где можно добыть водяной лед.
На данный момент, чтобы лучше оценить возможности холодных микроловушек, Хейн и его коллеги готовят высокотехнологичную камеру, получившую название Lunar Compact Infrared Imaging System (Лунная компактная система получения инфракрасных снимков), которая отправится на Луну в рамках коммерческой миссии НАСА Lunar Payload, нацеленной на подробное изучение южных приполярных областей нашего спутника. Миссия должна достичь Луны в 2022 году, и тогда же новая камера впервые сделает снимки холодных микроловушек крупным планом и измерит их температуру, а также оценит количество льда в них.
Карта возможного распределения водяного льда на Южном и Северном полюсах Луны.
Прямые исследования
С одной стороны, исследования SOFIA и открытие холодных микроловушек — отличная новость. Тем не менее, общая картина остается прежней, говорит Ян Кроуфорд, лунный эксперт из Биркбекского университета в Лондоне. По его словам, очевидно, что чем легче достать воду на Луне, тем больше будут полагаться на ее добычу при проработке будущих миссий. В конце концов, освоение лунной воды в качестве ресурса может дать толчок к развитию долговременных баз на нашем спутнике, где это сырье можно использовать в том числе для создания ракетного топлива. На данный момент, однако, «срочно необходимы наземные измерения для подтверждения выводов, сделанных на основе дистанционного зондирования», — говорит Кроуфорд.
Анхель Аббуд-Мадрид, директор Центра космических ресурсов в Голдене, штат Колорадо, также отмечает, что прямые измерения являются наиболее важным следующим шагом, который следует из новых результатов. «Теперь необходимо прикоснуться к поверхности Луны и собрать максимально подробную информацию», — говорит он. «Подтверждение не только существования водяного льда, но и его количества и доступности является обязательным условием для продолжения развития существующих планов по колонизации Луны».
