Наука «Аполлонов»
Загадки лунотрясений
Полёт «Аполлона-11» на Луну, состоявшийся в июле 1969 года, намечался как испытательный, поэтому экипажу не удалось провести полноценную научную работу на поверхности. Но его результаты помогли специалистам выработать рекомендации по улучшению организации миссий, и экспедиция «Аполлона-12», начавшаяся 14 ноября 1969 года, планировалась как полноценное полевое исследование с двумя вылазками.
Одна из важнейших задач полёта — прилунение с ювелирной точностью поблизости от космического аппарата «Сервейер-3», который с апреля 1967 года находился на территории Океана Бурь (Oceanus Procellarum), к юго-западу от лучевого кратера Коперник. Океан Бурь, крупнейшее лунное море неправильной формы, занимает площадь 4 млн км2, что составляет примерно 10,5% от общей лунной поверхности. Масконы (области концентрации массы, вызывающие гравитационные аномалии) под ним не обнаружены. До прилёта Чарльза Конрада и Алана Бина территорию океана изучали ещё три аппарата помимо «Сервейера-3»: советские «Луна-9» и «Луна-13», а также американский «Сервейер-1».
Первое отличие от района посадки предшественников экипаж лунного модуля «Неустрашимый» заметил при снижении: газовая струя двигателя подняла огромную тучу чёрной пыли, поэтому садиться пришлось вслепую. Позднее, выполняя работы на поверхности, астронавты заметили, что ноги при ходьбе глубоко погружаются в грунт, а пробоотборник удалось ввести на полную длину — около 70 см (для сравнения: у экипажа «Аполлона-11» не получилось взять пробы глубже 15 см). Местный реголит отличался не только наличием большого пылевого слоя, но и составом: как выяснили учёные, «неземной» характер образцов из Моря Спокойствия (высокое содержание элементов, образующих тугоплавкие соединения, и низкое содержание летучих элементов) проявляется в образцах из Океана Бурь в гораздо меньшей степени. Кроме того, оказалось, что образцы моложе примерно на миллиард лет — средний возраст кристаллических пород составил 2,3 млрд лет.
Модуль «Неустрашимый» космического корабля «Аполлон-12» прилунился 19 ноября 1969 года на северо-западной части вала кратера Сервейер. В ходе первой вылазки астронавты Чарльз Конрад и Алан Бин развернули ловушку солнечного ветра SWC (Solar Wind Composition) и полноценную научную станцию ALSEP № 1 (Apollo Lunar Surface Experiments Package). Центральный блок станции включал коммуникационное оборудование, кабели и радиоизотопный генератор SNAP-27 мощностью 70 Вт с плутониевым элементом и пассивным терморегулированием. Рядом с ним, на расстоянии 100 м от «Неустрашимого», астронавты установили чувствительный пассивный сейсмометр PSE (Passive Seismic Experiment), магнитометр LSM (Lunar Surface Magnetometer), спектрометр для изучения солнечного ветра SWS (Solar Wind Spectrometer), детектор лунной пыли LDD (Lunar Dust Detector) и супратермальный детектор лунной ионосферы SIDE (Suprathermal Ion Detector Experiment). На развёртывание и включение ALSEP № 1 у астронавтов ушёл час; при этом обнаружилась неприятная проблема: кабели, хотя и довольно жёсткие, в земных условиях изгибались, но на Луне они затвердели, словно куски замёрзшего садового шланга, что затруднило работу.
Во время второй вылазки Конрад и Бин, собирая образцы пород, совершили экскурсию по поверхности, удалившись от «Неустрашимого» более чем на 500 м (то есть за пределы видимости лунного модуля). Под конец они спустились в кратер к аппарату «Сервейер-3» — учёных на Земле очень интересовало, как условия космоса повлияли на оборудование и материалы. Не без удивления астронавты увидели, что аппарат покрыт коричневой пылью. Поскольку скафандры затрудняли действия, с аппарата удалось снять только небольшую часть оборудования: телекамеру, кусок кабеля, участок алюминиевой трубки и ковш-захват.
Позднее, при обследовании в лаборатории частей «Сервейера-3», группа микробиологов под руководством Фреда Митчелла обнаружила внутри телекамеры бактерии из рода стрептококков — Streptococcus mitis, которые обычно обитают в полости человеческого рта. Помещённые в благоприятную среду, микроорганизмы начали размножаться, что произвело сенсацию в научном мире. Получалось, что земной организм способен выжить на Луне в течение более двух лет! Открытие заставило пересмотреть отношение специалистов к проблеме стерилизации межпланетных аппаратов, ужесточив её стандарты. Однако в 2004 году результаты исследования поставили под сомнение: при транспортировке частей аппарата и взятии проб с них нарушался режим чистоты, поэтому микроорганизмы могли попасть в телекамеру при повторном загрязнении. Вопрос остаётся дискуссионным, ведь в последнем случае бактерий должно было быть на много порядков больше, а разнообразие — выше, чего группа Митчелла не наблюдала.
Сюрприз преподнёс и эксперимент с сейсмометром PSE. После старта с Луны, стыковки с командно-служебным модулем и перехода в него астронавты отделили взлётную кабину и направили её вниз. Кабина массой 2450 кг упала на расстоянии 72 км от места посадки «Неустрашимого». Скорость при столкновении составила 1,68 км/с; образовался ударный кратер диаметром 9 м. Учёные ожидали, что сейсмические колебания, вызванные падением кабины, затихнут быстро, но реверберация (остаточное звучание, сохраняющееся после выключения источника звука) продолжалась 55 минут! На пресс-конференции, устроенной в тот же день, Морис Юинг из Ламонтской обсерватории Колумбийского университета заявил: «Что касается природы происходящего, я предпочёл бы не давать объяснение прямо сейчас. Но это как если бы кто-то ударил в колокол, скажем, в церкви один раз, а гул от него продолжался целый час». Ничего похожего на Земле никогда не регистрировали, поэтому появилось сразу несколько гипотез: от сомнений в работоспособности сейсмометра до предположения о существовании огромных полостей под лунной поверхностью.
В апреле 1970 года состоялся полёт корабля «Аполлон-13». Согласно плану миссии, члены экипажа должны были высадиться поблизости от древнего ударного кратера Фра Мауро (Fra Mauro) в области северо-восточного побережья Моря Познанного (Mare Cognitum), которое в свою очередь является частью Океана Бурь. Однако на пути к Луне произошла авария, поэтому высадку пришлось отменить, а научная станция ALSEP № 2 была потеряна. Всё же свой вклад в селенологию «Аполлон-13» внёс: третью ступень ракеты «Сатурн-5» массой 13 т направили к Луне и 15 апреля она врезалась в поверхность со скоростью 2,68 км/с на территории кратера Лансберг (Lansberg) — 200 км западнее места высадки астронавтов «Аполлона-12». На этот раз реверберация длилась четыре часа! Если бы причиной «колокольного гула» стало падение обломков, выбитых ударом, как полагали некоторые специалисты, то его продолжительность была бы намного меньше.
Чтобы ответить на вопросы селенологов о физической природе ревербераций, необходимо было доставить на Луну ещё несколько комплектов сейсмографов, разместить их на достаточном удалении друг от друга и провести серию экспериментов с искусственными лунотрясениями.
31 января 1971 года началась экспедиция «Аполлона-14», экипажу которого предстояло реализовать программу неудачливых предшественников. В ходе полёта они повторили эксперимент с падением третьей ступени «Сатурна-5». При этом сейсмометр PSE станции ALSEP № 1 зарегистрировал реверберацию продолжительностью около трёх часов, подтвердив, что наблюдаемый феномен не является чем-то исключительным.
Через сто восемь часов после старта, 5 февраля, астронавты Алан Шепард и Эдгар Митчелл совершили в модуле «Антарес» посадку в 50 км к северу от кратера Фра Мауро и в 1 км от молодого кратера, неофициально названного Коун (Cone). Для облегчения работы на поверхности экспедицию снабдили двухколёсной тележкой MET (Modular Equipment Transporter). С её помощью в ходе первой вылазки астронавты доставили к месту расположения в 180 м к западу от «Антареса» новую научную станцию ALSEP № 3. Её приборный состав в основном повторял станцию «Аполлона12», но с дополнительным оборудованием: уголковым лазерным отражателем LRRR (Laser Ranging RetroReflector) и детектором низкоэнергетических заряженных частиц CPLEE (Charged Particle Lunar Environment Experiment).
Впрочем, самой необычной новинкой в комплекте стала установка для проведения активного сейсмического эксперимента ASE (Active Seismic Experiment). В качестве источников сейсмических волн использовали два устройства: стационарную «мортиру» (mortar) и переносной посох-«ударник» (thumper). Сначала Эдгар Митчелл развернул кабель с геофонами (датчиками колебаний грунта) на 90 м к югу от центрального блока, а при возвращении подорвал тринадцать пиротехнических зарядов на поверхности с помощью «ударника», чтобы проверить работоспособность всей системы. «Мортиру» установили рядом с центральным блоком, ориентировав её на север и снарядив для стрельбы. Она содержала четыре «гранаты» (grenade), каждая из которых состояла из небольшого ракетного двигателя, фугасного заряда, детонатора, аккумулятора, передатчика и нити, по размотке которой можно было определить расстояние выстрела. Разумеется, «мортиру» собирались привести в действие только после возвращения астронавтов на Землю. Чтобы они случайно не приблизились к заряженной «мортире» при дальнейших работах на поверхности, над ней выдвинули мачту с красным предупреждающим флагом.
Во время второй вылазки астронавты для сбора камней и грунта совершили долгий поход в сторону кратера Коун. Селенологи предполагали найти здесь древние глубинные породы, выброшенные при столкновениях Луны с крупными небесными телами. Доставленные на Землю образцы действительно отличались от всего ранее виденного: они легко крошились, содержали редкие минералы и были богаты полевым шпатом. Обнаруженные в их составе базальты оказались самыми старыми из найденных на тот момент; их возраст — от 4,0 до 4,3 млрд лет. Среди прочего астронавты подобрали сколок большого белого камня массой 9 кг, фигурирующий в каталоге лунных образцов под номером 14321 и получивший впоследствии собственное имя Большая Берта (Big Bertha). Долгое время он считался фрагментом древней лунной коры, однако в январе 2019 года группа исследователей из австралийского Университета Кёртина на основе тонкого химического анализа выдвинула предположение, что белый сколок — метеорит, прилетевший с Земли в ту эпоху, когда расстояние между нашей планетой и её спутником было намного меньше, чем сейчас.