ЛУНА - НАУЧНАЯ СТАНЦИЯ
Станет ли Луна промежуточным космопортом, связывающим Землю с другими небесными телами, или же будет использована как база для научного космического центра? А может быть, обе эти задачи будут совмещены?
Использовать Луну в качестве промежуточной межпланетной станции для снаряжения экспедиций, направляемых в глубины Вселенной, пока технически нецелесообразно. Для посадки космического корабля на Луну и взлета с нее потребуется значительное количество топлива. К тому же на Луне необходимо защищать космонавтов от вакуума, от солнечной и космической радиации, от воздействия метеорного вещества, от высокой температуры днем и от низкой ночью. Правда, когда на Луне можно будет строить космические корабли из местных материалов или же заправлять их «лунным» топливом, тогда, вероятно, можно будет превратить Луну в трамплин на пути во Вселенную. В ближайшем же будущем Луну целесообразнее использовать в качестве базы для решения научных и технических задач прикладного характера. Каковы же эти задачи?
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОГОДЫ
За погодой на земном шаре следят тысячи метеорологических станций. По результатам их наблюдений составляется прогноз погоды. Но очень часто метеорологи ошибаются. Даже краткосрочные прогнозы погоды оправдываются не всегда. Ошибки в прогнозах нельзя объяснять некомпетентностью метеорологов. Для составления прогноза погоды, например, в Москве на сутки метеорологам приходится анализировать развитие атмосферных процессов на территории от побережья Африки: до Северного полюса и от Атлантического океана до Центральной Сибири. Ведь скорость движения воздушных масс и атмосферных вихрей достигает 100 и более километров в час. За сутки они проходят более 2400 км, вызывая изменения погоды. А для того чтобы составить прогноз погоды на несколько дней, надо привлечь данные об атмосферных процессах на еще большей территории.
Составление прогнозов погоды на месяц и на сезон требует всестороннего изучения процессов, протекающих в атмосфере земного шара. А поскольку сеть метеорологических станций расположена главным образом на суше, она достаточно полно покрывает всего лишь пятую часть поверхности Земли. Обширные водные пространства Мирового океана, приполярные районы, громадные горные массивы, пустыни, тайга занимают около 80% поверхности нашей планеты и фактически оказываются вне поля зрения метеорологической службы. Это обстоятельство затрудняет изучение атмосферных процессов и механизма их взаимодействия на земном шаре.
А если бы для всестороннего изучения состояния атмосферы была создана густая сеть наблюдательных пунктов на континентах, мобилизованы сотни морских и океанских судов? Все равно из-за трудностей оперативного сбора и обработки огромного количества метеорологических данных, поступающих из пунктов, рассеянных по всей планете, такая сеть использовалась бы не очень эффективно.
Изучение атмосферы на аэрологических станциях с помощью радиозондов, использование самолетов для метеорологических наблюдений дает нам представление о том, что происходит в атмосфере на высоте до 20 - 25 км. А известно, что в формировании погоды участвуют и более высокие слои атмосферы.
Весьма существенный недостаток метеорологических наблюдений, ведущихся в настоящее время, состоит в том, что получаемые сведения имеют прерывистый характер. Это относится как ко времени, так и к пространству. Если бы даже метеостанции повсюду располагались, как в густонаселенных районах, на расстоянии не более 100 км друг от друга, то и тогда девять десятых облачного покрова выпадало бы из поля зрения наблюдателя. Качество тех данных, которые относятся к метеорологическим явлениям, характеризующимся прерывистостью и резкими изменениями (облачность, ливневые осадки, грозы), все еще оставляют желать лучшего. Многие детали формирования и развития явлений погоды ускользают от синоптиков. Это, безусловно, затрудняет прогнозирование погоды не только на длительные, но и на непродолжительные сроки. На помощь синоптикам пришли искусственные спутники Земли.
СПУТНИКИ НА СЛУЖБЕ МЕТЕОРОЛОГИИ
Уже несколько лет успешную службу наблюдения за погодой, нашей планеты несут специализированные спутники Земли. Они быстро собирают сведения о состоянии земной атмосферы. Для них одинаково доступны как обитаемые территории земного шара, так и огромные пространства океанов и морей, пустынь, лесов, гор таежных и полярных районов.
С помощью аппаратуры, установленной на метеорологических спутниках Земли, удалось получить обширный комплекс данных о состоянии и характере развития метеорологических процессов: о распределении облачного покрова над поверхностью Земли в момент наблюдения, о зонах выпадения осадков и об очагах грозовой деятельности, о температуре земной поверхности и верхней кромки облаков, о границах снежного покрова и ледовых полей и т. п. Информация, получаемая со спутников, сразу же используется для прогноза погоды, А это очень важно. Однако спутники, стремительно облетая вокруг непрерывно вращающейся планеты, не могут выполнить физических исследований с целью углубленного познания метеорологических процессов, происходящих в том или ином районе земного шара.
Для многочисленных снимков поверхности Земли и облачного покрова нужен большой запас, специальной пленки, а это значительно утяжеляет спутник и требует для его вывода на орбиту более мощной ракеты. Поэтому после передачи изображения на Землю оно стирается с магнитной пленки специальным устройством, и пленка становится вновь пригодной для использования. Однако и здесь без недостатков не обходится: пленка быстро портится, качество снимков резко ухудшается. Все это ограничивает возможности использования спутников Земли для получения информации о метеорологических процессах в ее атмосфере. Хорошим помощником в прогнозировании погоды может стать Луна.
МЕТЕОЦЕНТР НА ЛУНЕ
Задачи, которые решает космическая метеорология, делятся на две группы. Одни связаны с получением синоптической информации. По-видимому, они останутся сферой деятельности метеорологических спутников Земли и наземных метеостанций. Другие нацелены на чрезвычайно интересные физические исследования, которые позволят выяснить особенности циркуляции воздушных масс в земной атмосфере, изучить влияние солнечной активности на погоду, провести климатологические наблюдения.
С Луны можно будет систематически наблюдать, как в умеренных широтах Земли, где преобладают западные ветры, облачные массы движутся на восток и как в экваториальных широтах постоянные северо-восточные и юго-восточные ветры перемещают крупные облачные образования. Эти образования - видимое проявление сложнейших термодинамических процессов в атмосфере. Ведь облака, как зеркало, отражают скрытый процесс общей циркуляции воздуха в земной атмосфере. Колоссальные массы воздуха, нагревшись в экваториальном поясе Земли, поднимаются на несколько километров и оттуда устремляются к полярным областям. Охладившись, теплый воздух опускается вниз и по поверхности Земли снова течет к экватору, неся полярный режим температур в области с более умеренным климатом.
Такова грубая принципиальная схема замкнутого движения воздуха между очагами тепла и холода. На самом же деле это движение несравненно сложнее. Немалую роль здесь играют разнообразные побочные явления. Зимой и летом, например, схемы циркуляции совершенно различны. Поверхность материков резко охлаждается зимой, а летом сильно нагревается. Поверхность океанов, дольше удерживающая тепло, значительно в меньшей степени подвержена этим колебаниям. Поэтому материки оказываются то теплее, то холоднее океанов. И воздух устремляется то с материков на океаны, то с океанов на материки.
Картина циркуляции воздуха в земной атмосфере чрезвычайно сложна и пока трудно поддается анализу. Найти ее закономерности, точно предсказать движение теплых и холодных воздушных масс и в связи с этим предполагаемые изменения погоды на земном шаре поможет лунный метеорологический центр. Он станет хорошим дополнением к наземной сети, метеорологических станции и к системе метеорологических спутников Земли.
Даже невооруженным глазом наблюдатель сможет совершенно отчетливо увидеть с Луны береговые линии континентов, крупные облачные образования, связанные с планетарной циркуляцией, области, покрытые снегом. В телескоп диаметром 30 см можно будет рассматривать земные объекты размером с километр, если они значительно светлее или темнее окружающего фона. При этом качество изображения будет очень хорошим, потому что запыленная и находящаяся в непрерывном движении земная атмосфера располагается в непосредственной близости не к наблюдателю, как при наблюдении с Земли, а к объекту наблюдения.
Фотография Земли с расстояния около 70000 км. В момент фотографирования автоматическая межпланетная станция находилась над Каспийским морем. |
Нетрудно представить себе, что даст человечеству фотографирование, киносъемка и телевизионное наблюдение Земли с Луны. Поскольку форма и количество облаков и структура полей облачности позволяют судить о характере процессов, протекающих в атмосфере, наблюдения за ними помогут предсказать, как будет изменяться погода на Земле в целом. Анализ фотографий позволит обнаружить присутствие в атмосфере сухого или влажного воздуха, установить систему воздушных потоков, определить так называемые фронтальные зоны, разделяющие различные воздушные массы. Правда, на краях земного диска детали поверхности будут видны смутно под накладывающейся на них голубовато-белой пеленой, создаваемой рассеянием солнечного света в атмосфере. Однако путем тщательного дешифрования фотоснимков можно будет выявить и эти фронтальные зоны.
Для мореплавателей очень важны прогнозы состояния ледовой обстановки в полярных бассейнах. После трагической гибели в 1912 г. «Титаника», столкнувшегося в тумане с айсбергом в районе Ньюфаундленда, был организован международный ледовый патруль, изучающий условия плавания айсбергов в Атлантическом океане. Специальные суда и воздушные летательные аппараты непрерывно наблюдали за айсбергами, откалывающимися от гренландских ледников, за их движением в районе Ньюфаундлендской банки, где пролегают основные навигационные пути, соединяющие Европу с Америкой. Это позволяет составлять прогнозы перемещения айсбергов и публиковать предупреждения об опасности.
Айсберги и плавающие льды встречаются и в других районах Мирового океана. От правильного учета ледовой обстановки во многом зависят сроки навигации в тех морях, где образуется лед. Особенно большое значение имеет изучение распределения льдов для арктических морей. В настоящее время ледовая разведка осуществляется самолетами и кораблями на большой территории. Это связано с огромными трудностями и требует значительных материальных затрат. Лунная метеостанция поможет осуществить фотографирование ледового покрова и его телевизионное наблюдение. Прослеживая пути дрейфа льдов в океанах и морях, можно будет изучать морские течения.
На рыбных промыслах в северных широтах рыбаки часто уходят в море, когда лед только тронулся. Но рыболовецкий траулер не ледокол, во льдах ему плыть небезопасно. Необходима ледовая разведка. За тысячи километров от родных берегов самолет не пошлешь. Посылать на разведку специальное судно невыгодно, да и пока оно обследует район промысла, обстановка может перемениться. Сейчас на ледовую разведку летают вертолеты, базирующиеся на некоторых судах рыболовецкой флотилии. Но и их радиус действия весьма ограничен. Успешно решить эту задачу помогут систематические наблюдения с Луны. Оттуда можно будет определять и зоны залегания снежного покрова, и их изменчивость, что имеет большое значение в гидрологии для прогноза паводков, обнаруживать интенсивные лесные пожары в таежных районах, наблюдать перемещение воздушных масс на различных высотах.
Наблюдающему Землю в телескоп с Луны сразу бросятся в глаза сверкающие белые пятна на ее полюсах. По мере того как на одном полюсе такое пятно уменьшается (снег тает), на другом оно увеличивается, и к нему постепенно примыкают все большие белеющие пространства (леса и поля, покрывающиеся снегом). Экваториальные и тропические области не белеют, но бывают подолгу окутаны пеленой облаков, наблюдения за которыми дадут много полезной информации.
В деятельности лунной метеостанции большое место займут как пассивные, так и активные радиометеорологические исследования. Пассивные основаны на использовании информации, которую Земля посылает к Луне в виде радио- и тепловых излучений. Между процессами, идущими в земной «машине погоды», и активностью Солнца установлена нерасторжимая связь. Лучистая энергия Солнца, проходя через атмосферу, поглощается и рассеивается. Земная поверхность и атмосфера, нагретые за счет поглощения солнечной радиации, сами становятся источником теплового излучения. Исследуя с помощью специальной аппаратуры спектральный состав уходящего в космос теплового излучения, можно получить данные о температуре поверхности Земли, температуре воздуха и облаков, вертикальном распределении температуры в атмосфере и о распределении в ней таких важных для ее теплового режима компонентов, как углекислый газ, водяной пар и озон.
Атмосфера сильно поглощает длинноволновое собственное излучение Земли. Это явление носит название оранжерейного или парникового эффекта. Содержащийся в атмосфере углекислый газ и водяной пар поглощают до 25% земного излучения, озон - до 20%. Так как для лучей длиной 9 - 12 мк атмосфера почти прозрачна, поверхность земли теряет тепло главным образом в этом интервале волн.
Измеряя мощность длинноволнового излучения Земли, можно определить температуру отдельных слоев атмосферы. Для измерения температуры того или иного слоя надо располагать приемником теплового излучения с набором светофильтров. Фильтры, пропускающие волны в диапазоне 3,6 - 14,7 мк, позволят получить данные о температуре верхних слоев тропосферы, в которых сосредоточена основная масса углекислого газа и водяных паров, а с помощью фильтров в диапазоне волн длиной 9,4 - 9,8 мк можно измерить температуру верхнего слоя озона. Полученные данные дадут возможность составить «тепловые карты» поверхности Земли. Описанный метод в некотором отношении аналогичен спектральному анализу, пока еще составляющему основу астрофизических исследований Солнца, звезд и их скоплений.
Правда, при внешнем сходстве этих методов между ними есть и весьма существенное различие. В астрофизике лучи видимого света, теплового излучения или радиоволны несут информацию о содержании в небесном теле тех или иных веществ, о величине их концентрации, температуре и т. п. Земная же атмосфера изучена сравнительно хорошо. Для многих районов земного шара известны многие средние метеорологические величины для разных сезонов. Поэтому метеорологам важно знать изменение этих величин по времени и в пространстве, т. е. то, что в основном «делает» погоду.
Активные методы радиометеорологических исследований основаны на изучении изменений, которые претерпевает зондирующий сигнал, проходя через земную атмосферу. Для таких радиометеорологических исследований могут быть использованы радио- и светолокаторы. Радиолокационные станции, посылая через определенные промежутки времени радиосигналы (импульсы) с Луны к Земле, а затем принимая их после того, как они, отразившись от облаков, возвратятся обратно, позволят изучать распределение в земной атмосфере зон дождей и снегопадов, их геометрические размеры и интенсивность, а также положение границ облачного покрова, высоту верхней и нижней кромок облаков, получить информацию не только о распределении льдов в Арктике, но и о толщине ледового покрова.
Изучение деятельности Солнца не менее важно, чем непрерывное наблюдение за метеорологическими процессами, происходящими в земной атмосфере. Большой нагрев солнечными лучами экваториально-тропических зон на Земле вызывает сильный воздухообмен между ними и более холодными высокоширотными и полярными зонами. Как полагают многие ученые, циркуляция воздушных масс лежит в основе всех погодно-климатических явлений. Если бы воздействие Солнца на Землю оставалось постоянным, была бы достаточно неизменной и общая циркуляция земной атмосферы. Однако она в значительной степени колеблется. Наш великий «тепловой котел» - Солнце - работает не всегда одинаково. Оно как бы дышит, и в такт его дыханию колеблется радиация. Современная астрофизика установила, что существуют циклические колебания солнечной активности. Продолжительность циклов определяется 11 - 22 и 80 - 90 годами.
Наиболее ярко выраженный цикл солнечной активности продолжается 11 лет. Максимум солнечной активности наблюдался в 1957 - 1958 гг., а минимум - в 1964 - 1965 гг. Сравнивая материалы наблюдений в периоды максимума и минимума солнечной активности, можно лучше понять причины, лежащие в основе связей между деятельностью Солнца и погодой. Учет всех энергетических преобразований солнечного излучения, происходящих в атмосфере, имеет исключительно важное значение для прогноза погоды и изучения климата. Располагая сведениями о приходе-расходе тепла Земли в ее атмосфере, можно будет надежно предсказывать изменения температуры воздуха, атмосферного давления, облачности и других элементов характеристики погоды и климата.
КОСМИЧЕСКИЙ РЕТРАНСЛЯТОР
Радиосвязь на ультракоротких радиоволнах, на которых ведется телевизионное вещание, ограничена пределами прямой видимости, т. е. возможностью распространения этих волн подобно распространению прожектором световых лучей. Так как Земля имеет форму шара, а ультракороткие радиоволны не могут огибать ее кривизну вследствие сильного поглощения поверхностью Земли, дальность телепередач на Земле ограничивается высотой передающих и приемных телевизионных антенн. Чтобы увеличить радиус телевизионного вещания, необходимо поднять передающую антенну как можно выше. Однако даже Останкинская телевизионная башня высотой 537 м имеет радиус телевещания не более 120 - 130 км. При помощи искусственных спутников Земли - советских спутников связи «Молния-1» и американских «Телестар» -- удалось резко увеличить радиус телевизионного вещания. Не исключено, что настанет время, когда для телевизионного вещания на сверхдальние расстояния будет использоваться естественный спутник Земли - Луна.
В 1928 г. советские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси теоретически доказали возможность радиолокационного контакта с Луной. В 40-е годы во многих странах началось экспериментальное изучение условий отражения от Луны радиоволн различной длины, преследующее главным образом астрономические цели: уточнение расстояния до Луны, изучение рельефа Луны и получение электрических характеристик лунных пород.
С 22 февраля по 8 марта 1964 г. советские и английские ученые провели 13 сеансов радиосвязи через Луну. Радиосвязь осуществлялась между английской обсерваторией «Джодрелл-Бэнк» и советской обсерваторией Зименки, находящейся недалеко от Горького. Каждый сеанс продолжался около часа. Сигнал, посланный из обсерватории «Джодрелл-Бэнк» на Луну, отражаясь от ее поверхности, приходил обратно на Землю, в Зименки, примерно через 2,5 сек.
Таким способом можно осуществлять радиосвязь на УКВ на расстояниях до 10 тыс. км. Правда, в этом случае радиосвязь удается поддерживать только между теми двумя пунктами на поверхности Земли, для которых в момент радиосвязи Луна находится над горизонтом. Становится очевидным основной недостаток, присущий такому способу радиосвязи: она возможна только в ограниченное время суток и продолжительность ее тем меньше, чем больше расстояние между корреспондентами.
К сожалению, воспользоваться Луной для осуществления пассивного сверхдальнего телевизионного вещания невозможно из-за ее шарообразной формы и резко контрастных неровностей поверхности. Радиосигналы, отраженные Луной, искажены и растянуты. Использовать их для телепередач практически невозможно. Вспомните, какая неразбериха звуков возникает в пещере с гулким эхом, если выкрикивать слова непрерывно. Чтобы их различать, нужно говорить медленно, каждый раз дожидаясь, пока эхо затихнет. Из-за неровностей поверхности Луны отраженный ею сигнал содержит составляющие, имеющие различные фазовые сдвиги, а вследствие покачивания (либрации) Луны фазовые соотношения между этими составляющими изменяются. Отсюда быстрое замирание радиосигналов.
Учитывая все это, можно прийти к выводу, что пассивное отражение радиосигналов поверхностью Луны не будет использовано для телевизионного вещания. Для этой цели выгоднее использовать Луну в качестве носителя активного космического ретранслятора. Если доставить на Луну комплект специальной радиотелевизионной аппаратуры, то переданные с Земли радио- и телевизионные сигналы могут быть приняты этой аппаратурой и после усиления снова переданы на Землю.
Значение сверхдальнего телевизионного вещания через Луну для развития культурного сотрудничества и взаимопонимании между народами трудно переоценить.
РАДИОСВЯЗЬ И ТЕЛЕВИЗИОННАЯ СВЯЗЬ НА ЛУНЕ
Специфические природные условия, отсутствие атмосферы, особенности движения вокруг Земли, небольшие размеры Луны и т. п. не позволяют эффективно использовать там достаточно отработанные в земных условиях средства радио- и телевизионной связи.
Известно, что длинные и средние радиоволны без труда огибают Землю, поэтому прием их на обычный радиовещательный приемник может осуществляться с расстояния нескольких тысяч километров. Однако из-за больших шумов на Луне, порождаемых влиянием Земли и космическими излучениями, из-за значительных диэлектрических потерь в лунном грунте, использование на Луне радиоволн этого диапазона сильно затруднено. Короткие радиоволны, как мы уже говорили, из-за специфики их распространения использовать на Луне невозможно. В земных условиях излучаемые радиопередающей станцией короткие радиоволны, устремляясь вверх, встречают на высоте 100 - 140 км сильно ионизированные слои воздуха, называемые ионосферой. Ионосфера отражает короткие радиоволны, что и позволяет осуществлять с их помощью дальнюю радиосвязь. У Луны нет ионосферы, поэтому на ней не применим этот наиболее распространенный в земных условиях метод дальней радиосвязи.
Ультракороткие радиоволны практически не отражаются ионосферой Земли. Будучи направлены вверх, они проходят сквозь нее и устремляются в космическое пространство. По своим свойствам они близки световым лучам, т. е. распространяются прямолинейно, почти не огибая поверхности Земли и неровностей местности, в пределах прямой видимости, как световые лучи. Благодаря этому исключительно важному свойству они заняли первое место в космической радиосвязи. Радиус лунного шара значительно меньше радиуса земного шара. Вследствие этого поверхность Луны имеет большую кривизну, чем поверхность Земли. А это намного уменьшает дальность прямой видимости как оптических, так и радиотехнических средств. Если их поднять на высоту 1 м, дальность прямой видимости составит около 2 км. С какой-либо возвышенности они могут «видеть» намного дальше. С километровой высоты с их помощью можно «обозревать» местность в радиусе до 6О км при условии, что на пути распространения радиоволн не встретится каких-либо высоких препятствий. С высоты 5 - 6 км дальность прямой видимости возрастает до 100 - 150 км. По даже с самой высокой лунной горы - горы Лейбница - нельзя «увидеть» объекты, отстоящие от нее дальше чем на 180 км. Нужно найти такие средства и способы, которые обеспечили бы возможность осуществления двусторонней радио- и телевизионной связи между научными станциями, расположенными в различных районах лунного мира.
Для увеличения дальности радиосвязи на ультракоротких радиоволнах на Земле используют радиорелейные линии. Они представляют собой цепочку ультракоротковолновых радиостанций, расположенных на расстоянии 40 - 60, а иногда 80 - 100 км друг от друга. Расстояние зависит от рельефа местности и от высоты башен, на которых установлены антенны радиостанций. Радиосигналы, посланные с одной станции, направляются к другой, называемой промежуточной. Здесь они принимаются, усиливаются и передаются к следующей станции, и так до конца линии.
Аналогичным путем можно осуществлять радиосвязь на Луне. Но так как ее поверхность представляет собой сферу радиусом 1736 км, нетрудно подсчитать, что антенны высотой даже в 50 м позволят вести передачи на расстояние не более 25 км. Если к этому добавить, что каждая станция должна располагать собственным источником электроэнергии, рассчитанным на длительное время работы, и надежной аппаратурой автономного управления, то станут вполне очевидными трудности решения задачи радио- и телевизионной связи на Луне.
Поэтому пока в проблеме осуществления радиосвязи ведущее место принадлежит идее искусственных спутников. Как известно, спутники связи «Молния-1» выводятся на удлиненные эллиптические околоземные орбиты, что существенно увеличивает полезное время их работы - до 6 час. на виток. Если спутник связи вывести на орбиту с высотой 36 тыс. км, период его обращения составит 24 часа. Выведенный в определенную точку экваториальной орбиты, он не станет менять своего местонахождения и будет перемещаться с той же скоростью, с какой Земля вращается вокруг своей оси. Три таких спутника обеспечат радио- и телевизионную связь почти со всеми районами земного шара, за исключением полярных.
Представляется соблазнительным распространить этот способ на Луну. Правда, Луна затрачивает на один оборот вокруг Земли не 24 часа, а около 28 суток. Поэтому спутник, обращающийся вокруг Луны за этот период, следовало бы вывести на орбиту, удаленную от Луны приблизительно на 100 тыс. км, что было бы возможно в том случае, если бы на Луну и спутник не влияло мощное притяжение Земли. Спутник, выведенный на такую орбиту, очень скоро покинет поле тяготения Луны.
А если вывести лунный спутник связи на орбиту, где его движение зависело бы главным образом от притяжения Луны? Подходящая для этого высота полета - 4800 км, а период обращения вокруг Луны - около 12 час. Но он будет двигаться вокруг Луны гораздо быстрее, чем научные станции. Для непрерывной связи между ними потребуется не менее десяти спутников.
Весьма выгодными, вероятно, будут спутники, выведенные в точки либрации, т. е. в точки, где гравитационные силы уравновешиваются центробежными. Расчеты показывают, что в этом случае два спутника, расположенные на средних расстояниях от Луны, равных 65 тыс. и 58 тыс. км, обеспечат радио- и телевизионной связью лунные научные станции. Но, чтобы эти спутники непрерывно находились в точках либрации, необходимо периодически корректировать их положение в пространстве. Эта задача в настоящее время уже не кажется особенно сложной. Она может быть решена с помощью имеющихся в нашем распоряжении технических средств.
ЛАБОРАТОРИИ НА СЕЛЕНЕ
Характерной особенностью современной техники является все более широкое использование таких космических по своей природе процессов и явлений, как сверхвысокие и сверхнизкие температуры, сверхвысокие давления и вакуум, плазменное состояние вещества, мощные радиации и физические поля и т. д. Космические силы - более могучие, нежели специфически земные. Овладение ими откроет практически не ограниченные возможности для прогресса производства, покорения природы человеком,
Одной из важных задач металлургии и машиностроения является создание принципиально новых материалов, способных выдерживать сверхнизкие и сверхвысокие температуры, влияние космической радиации, вакуум мирового пространства и другие условия, господствующие в космосе и на Луне. При низких температурах и в вакууме, например, исследуются так называемые переходные металлы: титан, скандий, хром, марганец, железо - группы редкоземельных металлов. Из многих этих материалов создаются новые машины. Переходные металлы, их сплавы и соединения - основа не только для корпусов пассажирских космических кораблей, но и для новых сверхмощных станков и автоматических линий.
Свойства редких металлов и их сплавов все еще мало изучены. Сварить сплав нужного состава или получить чистый металл обычным способом невозможно: в расплавленном виде редкие металлы и их сплавы химически чрезвычайно активны. Так, попытка плавить тантал или ниобий в вакууме, поместив их в тигли из несокрушимых в химическом и температурном отношении окислов бериллия и тория, окончилась неудачей. Стоило нагреть тантал и ниобий, как тигли превращались в пористый металл, а тантал и ниобий, отняв у тиглей кислород, переходили в окислы. Значит, сплав надо варить так, чтобы он не соприкасался ни с какими химическими элементами. Уменьшенная сила тяжести на Луне и глубокий вакуум облегчат решение этой сложной задачи.
Для многих производственных процессов исключительно важное значение имеет глубокий вакуум. Чтобы создать его на Земле, приходится затрачивать огромные усилия. В космическом пространстве, на поверхности Луны сама природа создала идеальные условия глубокого вакуума, «Мы, космонавты, - говорил Юрий Гагарин, - по характеру нашей профессии, может быть, раньше, чем кто-либо, сталкиваемся с химией во всех ее чудодейственных проявлениях. Возьмите, к примеру, топливо, которое двигает наши ракеты, возьмите сплавы и металлы, из которых они сделаны, возьмите скафандры, всю особую космическую продукцию - тысячи и тысячи больших и малых вещей, окружающих человека на его пути в космос. Всюду вы встретитесь с химией. На повестку дня освоения космического пространства ставятся задачи более грандиозные, чем те, которые мы выполняли до сих пор. На повестку дня ставится задача полетов к Луне, к другим планетам нашей Солнечной системы, выход за пределы Солнечной системы, установление связи с другими мирами. Но для этого нужны новые скорости, новые космические корабли, нужно новое оборудование, топливо. И для создания всего этого опять-таки нужна химия, новые материалы, которые по своим качествам были бы выше, чем те, которые мы в настоящее время имеем».
Лунные условия позволят проводить невиданные физико-химические эксперименты с целью более глубокого проникновения в сущность строения вещества, Исследования космических радиации и их воздействия на природные тела и искусственные материалы могут открыть новые горизонты радиационно-химической и радиационно-физической технологии, в частности радиационной металлургии. Исключительно плодотворными могут стать исследования в области высоковакуумной техники и радиоэлектроники, как и во многих других областях науки и техники. Размеры Луны, малая сила тяжести, возможность жесткого закрепления на ее поверхности научно-исследовательской аппаратуры существенно упрощают технические задачи размещения на ней крупных установок. Используя лунный вакуум, можно сравнительно проще, чем на Земле, организовать производство по бездефектному выращиванию крупных монокристаллов, которые являются основой транзисторов и лазеров.
Луна может стать надежной научной базой для решения многих проблем биологии и медицины. Приведем лишь один пример. Все живые организмы зависят от такого фактора внешней среды, как сила тяжести. Мысль об определяющей роли сил гравитации в жизни организмов впервые высказана К. Э. Циолковским в 1925 г. в очерке «Биология карликов и великанов». По его мнению, размер организмов определяется силой тяжести на поверхности небесного тела. Если бы жизнь, аналогичная земной, развилась па Луне, то все живые существа оказались бы там в 6 раз крупнее, чем на Земле, и наоборот, на Юпитере, где сила тяжести в 2,6 раза больше, чем на Земле, смогли бы жить только карлики. Подобные суждения высказывались и другими учеными. Так, Д. В. Томсон утверждал, что в случае увеличения силы тяжести на Земле представители большинства наземных форм походили бы на коротконогих ископаемых рептилий, а при уменьшении силы тяжести, например вдвое, они, наоборот, стали бы легкими, тонкими, более активными и тратили бы меньше энергии.
Проверить справедливость этих предположений непосредственными наблюдениями над живыми организмами пока не удалось. Однако нет сомнения в том, что на Луне, в условиях сильно ослабленного поля ее тяготения, такую проверку организовать можно, как и исследования, связанные с влиянием на животный и растительный мир космической радиации и отсутствия на Луне заметного магнитного поля. В круг задач биологов и медиков войдет поиск на Луне живых организмов и вопросы выживания на ней земной жизненной субстанции. Именно на Луне человек сможет подготовить себя в медико-биологическом отношении к более дальним космическим путешествиям.
НЕОБЫЧНАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ
Мы уже говорили о том, что земная атмосфера рассматривается астрономами, астрофизиками, радиофизиками, словом, всеми специалистами, изучающими окружающий Землю космический мир, как огромная помеха их работе. Воздух, кажущийся нам абсолютно прозрачным, служит непреодолимым барьером для большинства излучений, идущих к нам из космоса. Свободно проходят через атмосферу лишь компоненты двух небольших участков спектра электромагнитных воли: световые лучи и радиоволны длиной от нескольких миллиметров до 30 м. Для остальных участков спектра атмосфера непрозрачна. Часть ультрафиолетовых лучей, рентгеновские и гамма-лучи, идущие от Солнца, длинноволновое радиоизлучение, первичные космические и многие другие лучи не достигают земной поверхности. А ведь значительная доля излучения солнечной короны приходится как раз на ультрафиолетовую область и длинноволновый диапазон спектра.
Излучение планет достигает максимума в далекой инфракрасной области спектра, лучи которого поглощаются земной атмосферой. Очень горячие звезды ярки в ультрафиолетовой части спектра. Межзвездная пыль имеет собственное излучение в инфракрасной области спектра. Не так давно открытые звезды и их скопления «светятся» только в рентгеновских лучах, которые полностью поглощаются атмосферой Земли на высоте более 100 км. Именно эти и другие недоступные наблюдению с Земли области электромагнитного спектра несут, как полагают ученые, крайне важную информацию о коренных проблемах мироздания, связанных с возникновением звезд и звездных систем, с природой дозвездного состояния вещества. Понятно, что исследование небесных тел сквозь узкие окна прозрачности атмосферы чрезвычайно обедняет картину происходящих на них процессов. С Луны же представится возможность исследовать весь спектр электромагнитных излучений.
Вследствие оптической неоднородности атмосферы (непрерывное движение воздуха, разная его плотность и засоренность) нельзя добиться увеличения наблюдаемых с Земли в телескоп объектов более чем в 400 - 500 раз. Чем больше увеличение, тем заметнее сказывается на качестве изображения движение воздушных потоков. Воздушная оболочка земного шара уменьшает видимую яркость звезд, вызывает их мерцание и вследствие этого дрожание и расплывчатость изображения светил на фотопластинках телескопов.
Поскольку интенсивность светового потока, идущего от небесных тел, чрезвычайно мала, при фотографировании планет, звезд и их скоплений необходимы очень большие выдержки. Они измеряются десятками минут и даже часами, в течение которых на фотопластинке накапливается световая энергия. Однако дрожание светового луча приводит к тому, что изображение на фотопластинке оказывается нечетким, расплывчатым. Поэтому при фотографировании небесных тел с Земли через телескоп нельзя допускать продолжительную экспозицию. Правда, это положение не распространяется полностью на высокогорные обсерватории, где воздух чище и прозрачнее.
Иногда специалистам задают вопрос: «Какие увеличения допускают современные телескопы?» Теоретически легко достижимы увеличения в 3000 - 5000 и более раз, но практически такие увеличения совершенно бесполезны, так как дают сильно размазанные и колеблющиеся изображения. И если и строятся огромные телескопы, то не в погоне за увеличением, а чтобы собрать больше света для фотографирования и спектрографирования слабых и далеких небесных объектов. Но телескопы с очень большим диаметром объектива или зеркала на Земле строить нельзя. Максимальный диаметр зеркала не должен превышать 6 м, максимальный диаметр объектива - 1 м. При дальнейшем увеличении диаметра объектив или зеркало будут прогибаться под собственной тяжестью.
На Луне, где нет атмосферы, отсутствуют ветровые нагрузки, а сила тяжести в 6 раз меньше земной, можно будет установить телескопы со сравнительно небольшими зеркалами и объективами, что позволит добиваться значительного увеличения наблюдаемых объектов и применить любую продолжительность экспозиции. Даже небольшой телескоп с зеркалом диаметром всего в 1 м на Луне будет равноценен земному телескопу с зеркалом 5 - 6-метрового диаметра.
Астрономы годами ожидают такое редкостное явление природы, как солнечное затмение. Последнее солнечное затмение, видимое в некоторых пунктах нашей страны как полное, было 22 сентября 1968 г. Ближайшее полное солнечное затмение, хорошо видимое в СССР, произойдет 31 июля 1981 г. Две-три минуты - вот обычное время для наблюдения полного затмения Солнца. На Луне, как мы уже говорили, искусственное затмение Солнца удастся создать в любое время дня и наблюдать его столько, сколько нужно. А это очень важно, ибо благодаря этому можно будет непрерывно изучать динамику процессов, протекающих на Солнце, более детально познавать явления, происходящие в слоях, расположенных выше солнечной фотосферы, - в хромосфере и в солнечной короне. Таким образом удастся полнее и точнее выяснить физическую сущность процессов, происходящих на Солнце, определить характер и интенсивность излучений, идущих от каждого его слоя.
Почему же всего этого нельзя сделать с Земли? Закрыть Солнце какой-нибудь заслонкой - вот и затмение. Конечно, загородить от Солнца наши глаза или объектив телескопа можно, но нельзя закрыть от него освещенный солнечным светом воздух - для этого пришлось бы вынести заслонку за пределы земной атмосферы. Такой заслонкой, как известно, становится Луна во время полных солнечных затмений. А так как на Луне воздуха нет, достаточно небольшой темной заслонки, чтобы наблюдать с Луны затемненное Солнце.
Лунная обсерватория позволит получить много новых сведений о других небесных телах и о космическом пространстве. Ее приборы будут воспринимать излучения огромного диапазона - длиной от одной стомиллионной сантиметра до тысяч километров. Структура нашей звездной системы и структура других галактик будет изучаться в подробностях. Процессы межзвездного пространства полностью предстанут перед учеными. Беспрепятственно будут приниматься лунной обсерваторией космические лучи и корпускулярные потоки во всем многообразии их спектров, откуда бы они ни шли.
ПРОБЛЕМА СОЛНЦЕ - ЗЕМЛЯ
В одном из египетских храмов археологи обнаружили рисунок, изображающий Солнце. Живший три тысячи лет назад художник изобразил его в виде выпуклого диска, окруженного лучами. Каждый луч, опускающийся на Землю, оканчивался человеческой рукой. Да, мы, земляне, связаны с Солнцем крепкими узами. Чутко и послушно реагирует Земля на каждый солнечный «вздох». Солнце - энергетическая база Земли. Оно обогревает и освещает ее. Благодаря лучам Солнца на Земле развивается и поддерживается жизнь. Погасни Солнце - и наша планета превратилась бы в безжизненную ледяную глыбу.
Более 200 лет назад английский астроном В. Гершель заметил парадоксальную связь между пятнами на Солнце и ценами на зерно и шерсть. Каждые одиннадцать лет урожаи зерновых падали, а цены на зерно и шерсть поднимались. Теперь известно, что каждые одиннадцать лет наступает период усиления солнечной активности, заканчивающийся ее спадом. На поверхности Солнца происходят гигантские вспышки, вследствие которых потоки раскаленных газов взмывают на сотни тысяч километров вверх и устремляются в межпланетное пространство. Так, 2 сентября 1967 г. в течение двух часов наблюдалась одна из самых мощных вспышек на Солнце. Аналогичное явление было зафиксировано немного раньше, 23 февраля 1965 г. Отзвуки этих вспышек очень быстро доходят до нашей планеты. Резкое увеличение в атмосфере Земли потока быстро летящих частиц - ионов, электронов, протонов и др. - порождает полярные сияния, вызывает сильные магнитные бури, нарушающие радиосвязь и искажающие показания навигационных магнитных приборов, оказывает заметное влияние на климат и погоду.
Установлено, что гигантские взрывы во внутренних областях Солнца и бурные процессы в его внешних оболочках приводят к выбросу из Солнца сгустков так называемых корпускул - заряженных частиц. От Солнца в межпланетное пространство устремляются потоки плазмы, получившие образное название «солнечный ветер». «Солнечный ветер» в основном состоит из протонов - положительно заряженных ядер атомов водорода, движущихся со скоростью приблизительно 1000 км/сек. Достигнув земной атмосферы, «солнечный ветер» влияет на температуру и движение ее верхних слоев.
Как и первичные космические лучи, «солнечный ветер» неизменно должен вызывать эрозию лунной поверхности и сдувать те частицы, которые могли бы образовать лунную атмосферу. Он же вызывает накопление заметного положительного заряда в веществе лунной поверхности. Предполагают, что положительный заряд вещества лунной поверхности может понижать теплопроводность наружного слоя Луны. Вполне понятно, что с Земли невозможно тщательно исследовать влияние «солнечного ветра» на атмосферу нашей планеты да и на Луну. Лучше всего это можно сделать на Луне.
Известно, что идея внутриатомной энергии развилась благодаря изучению источников звездной энергии и космических лучей. А идея термоядерных реакций с участием водорода возникла, когда ученые занялись изучением механизма выделения энергии в недрах Солнца. Что же может дать физикам познание процессов, происходящих на Солнце? Очень многое. В настоящее время частицы высоких энергий получают с помощью специальных ускорителей, которые представляют собой громадные электромагниты весом в десятки тысяч тонн, с огромным количеством сложнейших механизмов. Совсем недавно в Советском Союзе вступил в строй крупнейший в мире ускоритель, который позволяет получать частицы, обладающие энергией в 76 млрд. электрон-вольт. Для сравнения укажем, что частицы воздуха при обычной, комнатной температуре имеют энергию около одного электрон-вольта. Советские физики убеждены, что на ускорителях удастся получить частицы с энергией до 400 млрд., а возможно, и до 1000 млрд. электрон-вольт. И все же космос все более привлекает внимание физиков. В последние годы в космических лучах удалось зарегистрировать частицы с энергией, близкой к 1020 электрон-вольт. Это в миллиарды раз больше того, что дают самые мощные современные ускорители.
Космические лучи надолго останутся единственным источником частиц, обладающих энергиями на много порядков выше тех, которые человек создает на Земле. Исследования частиц столь высоких энергий на Луне позволят продвинуться вперед в познании свойств материи и приведут к качественно новым открытиям.
Изучая происходящие на Солнце явления, мы можем составить себе представление о тех процессах, которые возникали и на других звездах. В естественной, ближайшей к нам, солнечной лаборатории можно изучить поведение материи в условиях гигантских давлений и сверхвысоких температур. Ведь в недрах Солнца давление превышает 10 млрд. атмосфер, а температура достигает 5000000°. Такие условия пока невозможно создать на Земле. Изучение их не только поможет углубленному познанию явлений, происходящих на Солнце и звездах, но и будет способствовать прогрессу земной энергетики.
18 августа 1868 г. во время полного затмения Солнца французский астроном Жюль Жанссен при помощи спектроскопа наблюдал разноцветные линии на краю Солнца. Среди многообразия уже известных линий он заметил одну новую, светло-оранжевую. Она не могла быть вызвана ни одним из известных в то время веществ. Жанссен продолжал свои исследования, не дожидаясь нового солнечного затмения. Его наблюдения и одновременные наблюдения американского ученого Нормана Локьера позволили заключить, что в атмосфере Солнца содержится неизвестный газ. Он был назван гелием (от греческого «гелиос» - солнце). В 1881 г. гелий обнаружили среди газов Везувия, а в 1905 г, выделили из минерала, носящего название клевент.
Не следует исключать возможность подобных открытий и в дальнейшем. Из-за ограниченности участка солнечного спектра, доступного исследованию с поверхности Земли, элементы на Солнце отождествлены с земными лишь в 60% случаев. Наблюдения с Луны помогут отождествить с земными оставшиеся 40% солнечных элементов, а возможно, и открыть новые, доселе неизвестные нам химические элементы.
По-прежнему остаются загадкой вспышки и взрывы на Солнце, несмотря на то что их изучают со времен Галилея. Предполагают, что магнитные поля играют важную роль во всех проявлениях солнечной активности, связанных с движениями и выбросами заряженных частиц. С помощью специального прибора - солнечного магнитографа - с Луны можно будет исследовать магнитные поля Солнца. Это позволит проверить гипотезу советского астрофизика А. Б. Северного, утверждающего, что вспышки на Солнце возникают в результате своеобразного быстрого сжатия и разрушения магнитных полей, приводящих к импульсному нагреву небольшой области солнечного газа до температуры около 5000000°.
В связи с развитием космонавтики изучение состава энергетического спектра солнечного и космического излучения приобретает громадное практическое значение. Время от времени в результате взрывов на Солнце межпланетное пространство пронизывается губительным для живых организмов излучением. Особо интенсивные потоки солнечных протонов неблагоприятно действуют на электронную аппаратуру космических кораблей. Кроме того, плазменные сгустки, оторвавшиеся от Солнца и блуждающие в околосолнечном пространстве, обладая очень высокой температурой, могут буквально превратить в пар любой космический корабль. Не изучив этих явлений, нельзя создать и средства защиты от них, нельзя совершать длительные полеты космических кораблей с исследователями на борту.
Обсерватории Советского Союза ведут непрерывное наблюдение за деятельностью Солнца. О малейших подозрительных ее изменениях немедленно сообщается в научный совет «Солнце - Земля», находящийся в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Академии наук СССР (ИЗМИРАН). Поступившие в совет данные немедленно передаются в Вашингтон, Токио, Австралию, Францию, Чехословакию, Западную Германию. Иностранные ученые также через свои региональные центры сообщают коллегам сведения о поведении Солнца. Отмечена на Солнце повышенная активность - и во всех странах мира раздается сигнал геофизической тревоги «Алерт!». По этому сигналу с полигонов поднимаются геофизические ракеты, раскрываются створки куполов обсерваторий и телескопы нацеливаются на Солнце. Нет сомнения в том, что со временем в деятельности службы Солнца одно из важных мест займут лунные обсерватории.
ИССЛЕДОВАНИЕ С ЛУНЫ ДРУГИХ ПЛАНЕТ
«Счастлив тот, кому удалось увидеть планету Меркурий», говорят астрономы. Находясь в близком соседстве с Солнцем, Меркурий обычно тонет в его ослепительном свете. Временами он удаляется от Солнца, но не более чем на 28°. В такие периоды с наступлением утренних или с окончанием вечерних сумерек его иногда удается недолго наблюдать как желтоватую, сравнительно яркую звездочку. Однако и это наблюдение не удовлетворяет, так как Меркурий высоко над горизонтом не поднимается и рассматривать его приходится сквозь запыленный и волнуемый воздушными течениями слой атмосферы. Малые угловые размеры диска Меркурия и его расположение на сравнительно небольшом расстоянии от солнечного диска очень затрудняют телескопические наблюдения за ним.
После Солнца и Луны самое яркое небесное светило - Венера. Но и ее наблюдать с Земли затруднительно: в период наибольшей близости к Земле она стоит прямо перед Солнцем, которое освещает ее противоположную Земле сторону. Находящаяся несколько восточнее или западнее Солнца Венера выглядит как узкий серп. Лишь за Солнцем она видна как полный диск. Но в это время расстояние до Венеры вдвое больше и, кроме того, она тонет в солнечных лучах. Венера видна с Земли недолго, или под утро, или же в ранние вечерние часы. Она окутана плотной облачной атмосферой, поэтому поверхность ее недоступна обозрению. Облака Венеры отражают значительную долю падающих на них солнечных лучей. Этим объясняется сильный блеск Венеры.
Из лунной обсерватории Венеру и Меркурий можно будет наблюдать и в том случае, когда они находятся рядом с Солнцем, но только не в лучах его короны. Их можно будет видеть и лунным утром, перед восходом Солнца, и днем, и вечером, после захода Солнца. Блеском Меркурий превзойдет любую самую яркую звезду, а Венера - все светила, кроме Солнца и Земли. Блеск ее временами так велик, что наблюдатель, находящийся на Земле, может увидеть тени от освещаемых ею предметов. Как же в таком случае силен ее блеск на Луне!
Так как плоскости орбит Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна - планет, видимых невооруженным глазом, - расположены под малыми углами к плоскости эклиптики (так, максимальный угол наклонения плоскости орбиты Меркурия 7°), то и с Северного и с Южного полюса Луны почти всегда можно будет видеть их все. Отсутствие атмосферы позволит без помех, столь досадных при наблюдениях с Земли, тщательно исследовать не только эти, но и другие планеты Солнечной системы.
С Земли мы различаем на лунной поверхности кратеры диаметром 50 - 100 м, а на Марсе - образования длиной 8 - 15 км. На многих, более удаленных от Земли планетах видны образования крупнее: на Юпитере - длиной 80 - 160 км, на Нептуне - 800 - 1600 км, тогда как у Плутона временами даже трудно различить диск. А теперь представим себе, например, телескоп с диаметром зеркала 1 - 2 м, установленный на Луне, Четкость изображения объектов здесь очень высока, так что и такую планету, как Плутон, можно будет рассмотреть в деталях. Заметим, что с Луны даже невооруженным глазом можно увидеть Марс таким, каким он виден с Земли через лучшие телескопы во время противостояний.
Изучая планеты с Земли, специалисты не всегда могут точно определить, какие из полученных данных обусловливаются атмосферой Земли, а какие - атмосферой исследуемой планеты, из-за того, что спектральные полосы некоторых компонентов атмосферы Земли накладываются на спектральные полосы этих же компонентов исследуемой планеты. При наблюдении планет из лунной обсерватории этого не произойдет. На Луне можно будет вести спектроскопические и другие исследования по всему диапазону электромагнитного спектра излучения планет, что пока еще недоступно для Земли.
И наконец, на Луне, как уже говорилось, можно будет получить любое увеличение наблюдаемых объектов и использовать любую продолжительность экспозиции при их фотографировании. Это поможет, например, разгадать природу марсианских каналов, которые одни принимают за трещины в коре Марса, другие - за растительность, третьи - за ряд мелких образований, сливающихся для наблюдателя, находящегося на большом расстоянии от Марса, в сплошные полосы, а четвертые - за искусственные сооружения марсиан. Лунная обсерватория позволит узнать много нового о планетах Солнечной системы.
ТАЙНА СЛАБОСВЕТЯЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ
В безлунную ночь весной и осенью, когда в южных широтах Земли эклиптика очень высоко поднимается над горизонтом, сразу же после захода или перед восходом Солнца на южной стороне неба можно наблюдать конусообразное серебристое сияние, расширяющееся в сторону Солнца. Оно настолько слабое, что сквозь него видны даже самые неяркие звезды. Так как ось этого сияния лежит в плоскости эклиптики и проходит по зодиакальным созвездиям, оно было названо зодиакальным.
В особенно темные ночи в области неба, противоположной Солнцу, яркость зодиакального сияния несколько возрастает. В вершине зодиакального конуса в это время можно заметить туманное эллиптическое пятно. Поскольку оно диаметрально противоположно Солнцу, его назвали противосиянием. Было замечено, что по мере продвижения Солнца по зодиакальным созвездиям смещается и противосияние. Когда же Солнце, по истечении года, снова возвращается в исходное зодиакальное созвездие, завершает свой путь по поясу зодиака и противосияние.
Что же светится там, в глубине ночного неба? Высказывается предположение, что зодиакальное сияние порождается космической пылью, рассеивающей солнечный свет. Лучи опустившегося за горизонт Солнца рассеиваются мельчайшими частицами вещества, витающего в космическом пространстве. Так невидимые пылинки искрятся в солнечном луче, проникшем в комнату.
По яркости зодиакального свечения ученые установили, что хотя концентрация межпланетной пыли в межпланетном пространстве незначительна, исследовать ее в эпоху космических полетов крайне необходимо. Ведь при космических скоростях даже ничтожные частицы массой в миллионные доли грамма, встретясь с оболочкой летательного аппарата, способны повредить ее, подобно тому как маленькие камешки разбивают прочное стекло автомашины, мчащейся по шоссе. Поэтому на искусственных спутниках Земли и космических аппаратах, направляемых в глубины Вселенной, устанавливаются приборы для регистрации метеорных частиц. Результаты экспериментов показали, что вблизи Земли их намного больше, чем на больших расстояниях от нее. По каким-то причинам космические частицы концентрируются в окрестностях нашей планеты.
Академик В. Г. Фесенков установил важную особенность зодиакального свечения. Оказалось, что спектр зодиакального света представляет собой сильно ослабленную копию солнечного спектра. Поэтому предполагают, что это свечение есть не что иное, как отраженный солнечный свет. Отраженный? Но от чего? То ли от мельчайших метеорных частиц - пыли, то ли от молекул какого-то газа? Ведь межпланетное пространство, помимо метеорного вещества, заполнено газовыми молекулами и атомами и различного рода излучениями. Советский ученый И. С. Астапович пришел к очень интересному выводу. Он считает, что от внешних частей атмосферы Земли в сторону, противоположную Солнцу, должен тянуться как бы газовый рукав, состоящий из потока молекул, или, точнее, диссоциированных атомов, наподобие кометного хвоста.
Академик В. Г. Фссенков, посвятивший изучению этого загадочного свечения долгие годы, после множества измерений яркости зодиакального свечения, выполненных как на юге нашей страны, так и на территории Арабской Республики Египет, подтвердил гипотезу И. С. Астаповича. Он считает, это эллиптическая форма противосияния, вероятно, вызвана сплюснутостью земной атмосферы в направлении, перпендикулярном плоскости земной орбиты. Светящийся газовый хвост, по всей видимости, состоит из потока газовых частиц, ускользающих из самых верхних слоев атмосферы Земли вследствие давления на него солнечного света. Газовые частицы гонит прочь и «солнечный ветер».
Эта гипотеза сразу привлекла внимание ученых. Многократный тщательный спектральный анализ подтвердил непосредственную связь газового хвоста с земной атмосферой. Подтверждение это получено и исследованиями, проведенными с искусственных спутников Земли. По последним данным, газовый хвост Земли простирается приблизительно на 100 тыс. км. Однако эти данные нуждаются в дальнейшей проверке, так как основаны на наблюдении трудно уловимых явлений.
Детальное наблюдение с Земли солнечной короны и зодиакального света очень затруднено. На расстояниях 7 - 7,5° от Солнца части солнечной короны наблюдать не удается, а зодиакальный свет можно наблюдать на расстоянии 60 - 80° от Солнца. Это мешает доказательству их общей природы. С Луны же, вероятно, можно будет наблюдать зодиакальный свет и газовый хвост Земли, противосияние и внешние части солнечной короны в их чистом виде. Тогда появится возможность узнать истинную природу слабосветящихся объектов.
СУЩЕСТВУЕТ ЛИ ТРАНСПЛУТОН?
В марте 1930 г. мир облетело известие об открытии самой далекой, «крайней» планеты Солнечной системы - Плутона. Так как эта планета значительно удалена от Земли и совсем невелика, ученые знают о ней пока очень мало. В пятидесятые годы удалось измерить угловой поперечник ее крошечного диска. Диаметр планеты оказался равным 5870 км, т. е. составляет 0,46 диаметра Земли. Стало быть, Плутон по величине занимает промежуточное место между Меркурием и Марсом. Его плоскость наклонена к плоскости эклиптики под углом, близким к 17°, а орбита настолько вытянута, что в некоторые периоды он приближается к Солнцу на расстояние более близкое, чем Нептун. По различным отклонениям планеты Уран была вычислена масса Плутона. Она оказалась близкой к массе Земли. Следовательно, средняя плотность планеты должна быть невероятно высокой, около 50 г/см3. Это значит, что Плутон состоит из вещества, плотность которого в 6 раз превышает плотность стали! Но это невозможно, Плутон оказался отнюдь не ожидаемой «планетой Ловелла» - газовым гигантом с массой, в 6 раз большей, чем на самом деле. Учитывая притяжение Плутона, специалисты пришли к выводу, что возмущения в движении Урана должны вызываться какой-то более далекой, десятой планетой.
Ученые связали весьма замысловатое движение Урана с гипотетической планетой, находящейся за орбитой Плутона. Если такая планета существует, можно объяснить причину некоторых отклонений в движении Урана. Да и масса Плутона тогда будет гораздо меньше. Астрономы рассчитали, что эта десятая планета, которую они назвали Трансплутоном, удалена от Солнца приблизительно на 77 астрономических единиц и совершает вокруг него полный оборот за 676 лет. Орбита движения ее наклонена к плоскости эклиптики под углом 38°. Поэтому Трансплутон надо искать не в зодиакальном поясе созвездий, а в созвездиях, где другие планеты никогда не бывают. Но увидеть его среди звездной россыпи других созвездий весьма трудно, так как он должен перемещаться очень медленно. Со временем телескопы лунной обсерватории позволят более тщательно исследовать небесную сферу с целью поиска гипотетического Трансплутона.
ЗА ГРАНИЦЕЙ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Совсем недавно главной характеристикой, по которой ученые определяли состояние и характер любого небесного тела, был спектр его собственного излучения. Он был единственным мостом, связывающим нас с далекими светилами. За три с половиной века своего существования оптическая астрономия проникла во Вселенную на огромную глубину. Достаточно сказать, что при помощи самого большого в мире телескопа-рефлектора с диаметром зеркала 5 м, установленного в Паломарской обсерватории в США, удается наблюдать скопления звезд, свет которых идет к нам в течение 2 млрд. лет. Напомним, что луч света тратит на пробег от Солнца до Земли всего 8,5 мин. С помощью телескопов и при помощи спектрального анализа астрономы сумели определить химический состав поверхностных слоев Солнца и звезд, изучили движение небесных светил и выяснили многие другие вопросы.
Неизмеримо дальше в глубины Вселенной удалось проникнуть с помощью радиотелескопов - на расстояние 10 - 12 млрд. световых лет! Но преимущество радиотелескопов не только в «дальнобойности». Они помогают изучить многие процессы в небесных объектах, скрытых от оптических средств наблюдения. С помощью обычных телескопов удалось исследовать примерно 10% объема нашей Галактики. Остальная ее часть была недоступна наблюдению, поскольку она закрыта облаками межзвездной пыли. Но для радиоволн эти облака прозрачны. Исследование космического радиоизлучения дало возможность не только проникнуть в центральную часть Галактики, но и уточнить структуру Метагалактики и познать сложные процессы огромных космических образований во Вселенной.
Среди звезд есть так называемые нестационарные, т. е. меняющие свое состояние. В этих звездах происходят интереснейшие и глубочайшие процессы, связанные с высвобождением колоссальных энергий, немыслимых в наших земных условиях. Причина их пока неясна. «Такие явления, - говорит видный советский ученый Б. В. Кукаркин, - мы встречаем, изучая сверхновые звезды. Но как раз самых интересных излучений сверхновых звезд - ультрафиолетового, рентгеновского, гамма-излучения - в их оригинальном состоянии, не искаженном нашей атмосферой, мы не знаем. Установка постоянно следящих за сверхновыми звездами устройств на лунной поверхности обогатит науку ценнейшими данными о космических процессах. Может быть, со временем ученые найдут ключ к гигантским энергетическим процессам сверхновых звезд. И окажется, что они могут быть воспроизводимы в земных лабораториях, конечно, с учетом всех мер защиты. Это открытие будет знаменовать собой переворот в энергетике».
Около четверти века назад советский ученый академик В. А. Амбарцумян открыл звездные системы нового типа - звездные ассоциации. Этим открытием было подтверждено представление о непрерывном процессе звездообразования в нашей Галактике. Изучение звездных ассоциаций показало, что многие их особенности явно противоречат безраздельно господствовавшей до этого в науке гипотезе, которая утверждала, что звезды формируются в результате конденсации газовой или пылевой материи.
Была выдвинута новая гипотеза о формировании звезд из массивных тел высокой плотности - протозвезд. Но протозвездные тела с Земли увидеть невозможно - они находятся в устойчивом состоянии и не проявляют себя обычным образом. Вероятно, Луна предоставит возможности исследовать их.
РЕНТГЕНОВСКИЙ ТЕЛЕСКОП НА ЛУНЕ
В числе научных экспериментов, которые проводились самоходным аппаратом «Луноход-1», было исследование рентгеновского излучения, приходящего из глубин Вселенной. Первая попытка обнаружить источники космического рентгеновского излучения была предпринята в 1962 г., когда группа американских ученых осуществила эксперимент по измерению рентгеновского излучения Луны, которое, по их мнению, могло возникнуть под действием бомбардировки ее поверхности космическими лучами.
Лунное рентгеновское излучение зафиксировать не удалось, зато было совершено одно из выдающихся открытий XX века - обнаружены дискретные источники космического рентгеновского излучения. С помощью ракеты, запущенной ночью, когда излучение Солнца не могло приниматься в расчет, было обнаружено два неизвестных источника рентгеновского излучения: один сильный - в созвездии Скорпиона, другой в несколько раз слабее - в созвездии Тельца. В тех местах, где пролетала ракета, не было ни Луны, ни планет, значит, источники излучения находились за пределами Солнечной системы. (Правда, с помощью советских искусственных спутников Луны слабое рентгеновское излучение Луны все же было обнаружено.) За последние годы найдено около 100 таких источников, из них несколько десятков отождествлены с известными оптическими, объектами. Среди отождествленных источников - десять внегалактических (находящихся за пределами нашей Галактики) объектов. В недрах этих галактик с активными ядрами происходят гигантские взрывы, сопровождающиеся выбросом сгустков материи и магнитных полей. Рентгеновское излучение обнаруженных галактик в несколько раз больше, чем то же излучение в радиодиапазоне, и, по существу, они могут быть названы рентгеновскими галактиками.
Некоторые из источников рентгеновского излучения отождествляются с квазарами. Квазары открыты совсем недавно. Это самые мощные из известных нам генераторов энергии Вселенной. Расположенные на громадных расстояниях друг от друга - в миллиарды световых лет, - они позволяют исследовать Вселенную на ранних этапах ее развития. Самый близкий из обнаруженных квазаров удален от нашей Галактики на полтора миллиарда световых лет. Этот квазар излучает энергии в десять тысяч раз больше, чем вся наша Галактика, в то время как размер его - всего тысяча астрономических единиц, т. е. он в миллион раз меньше нашей Галактики. Откуда квазары берут столь большую энергию? Каково их строение? Ответы на эти вопросы получить крайне важно, ибо выяснение природы квазаров может привести к открытию новых физических законов.
Поскольку рентгеновское излучение сквозь атмосферу Земли не проходит, а поглощается на высотах более 100 км, наблюдать квазары до появления ракет и спутников Земли было невозможно. Но наблюдения с ракет ограничены кратковременностью их полетов, а со спутников - быстрым перемещением последних. Кроме того, поток рентгеновского излучения, которое приходит к Земле от квазаров, очень мал, что также затрудняет их изучение. Пока не удалось определить даже координаты большинства квазаров на небесной сфере с такой точностью, которая была бы достаточной для того, чтобы сказать, что какой-либо из них совпадает с той или иной звездой, изученной оптической астрономией.
Рентгеновский телескоп, установленный на луноходе, может накапливать в своей «памяти» излучение - ведь Луна делает один оборот относительно звезд за 27,3 земных суток. А так как в поле зрения счетчика фотонов рентгеновского телескопа, составляющем три градуса, источник рентгеновского излучения перемещается всего на одну угловую секунду за две секунды времени, он находится в нем около шести часов. Это время наблюдения примерно в тысячу раз больше того, что возможно при ракетных экспериментах. Наблюдая восход и заход небесных тел, излучающих рентгеновские волны, можно будет с высокой точностью, до угловой минуты, определять их координаты и угловой размер. Отсутствие атмосферы на Луне делает доступным для изучения диапазон от рентгеновских волн до радиоволн. Следует учесть, что на Луне отсутствует и фон заряженных частиц радиационных поясов, столь мешающих вести рентгеновские исследования вблизи Земли.
Зная координаты лунохода и время наблюдения, можно вычислить положение на небесной сфере точки, в которую направлен рентгеновский телескоп. Таким образом, можно просмотреть на небе полосу, ширина которой равна диаметру поля зрения, а длина - двенадцати градусам дуги в сутки.
Основная задача заключалась в исследовании диффузного космического рентгеновского фона. Вся окружающая нас Вселенная очень слабо светится в рентгеновских лучах. Происхождение этого свечения пока не выяснено. Считают, что оно возникает в межгалактическом пространстве и что мы лишь частично наблюдаем свечение межгалактического газа, нагретого до температуры в несколько сот тысяч градусов.
Установлено, что наша Вселенная последние десять миллиардов лет расширяется. Далекие от нас галактики разбегаются, причем чем дальше та или иная галактика, тем скорее она удаляется. Что будет потом? Современная наука допускает две возможности: или расширение Вселенной будет продолжаться вечно, или же через 10 - 20 млрд. лет начнется ее сжатие, которое закончится «схлопыванием» всей Вселенной «в точку». Если средняя плотность газа, заполняющего Вселенную, меньше его критической плотности (примерно один атом водорода в 100 тыс. см3 пространства), то Вселенная будет продолжать расширяться, если же она больше критической, то предстоит «сжатие» Вселенной. Можно рассчитывать, что рентгеновские телескопы, доставленные на Луну, помогут определить плотность газа во Вселенной и, таким образом, узнать ее дальнейшую судьбу.
Открытие рентгеновского излучения метагалактических объектов дало астрофизикам и астрономам мощное средство исследования активности небесных тел, - пожалуй, самого грандиозного процесса, который сегодня наблюдается в природе и который, возможно, связан с новыми формами существования и законами превращения материи.
КОСМИЧЕСКИЙ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТР
Для изучения далеких уголков Вселенной, обильно населенной хорошо видимыми звездами, их скоплениями и недостаточно четко наблюдаемыми пульсарами, квазарами, «нейтронными звездами», огромное значение имеет разрешающая способность радиотелескопов, т. е. способность различать угловой размер этих небесных тел. А угловой размер их очень мал, и это затрудняет точное определение их расположения на небесной сфере. Достаточно указать, что на расстоянии десяти парсек (парсек равен 3,26 светового года) он меньше одной секунды.
Разрешающая способность характеризуется отношением длины волны излучения к диаметру радиотелескопа. Чем больше его диаметр, тем выше «зоркость». Но увеличивать размеры земных телескопов и радиотелескопов, как уже было сказано, можно лишь до разумных пределов, которые уже достигнуты. Поэтому астрономы и астрофизики вынуждены устраивать здесь «обходные маневры», используя так называемую интерференционную методику. По этой методике наблюдения небесных объектов, имеющих сравнительно небольшие угловые размеры, проводятся одновременно с помощью двух радиотелескопов, расположенных на значительном удалении друг от друга. Такими спаренными радиотелескопами, так называемыми интерферометрами, пользовались советские и американские ученые в совместном эксперименте по изучению глубин Вселенной. Принятые радиосигналы одновременно записывались на магнитную ленту. Затем эти записи сравнивались и анализировались.
Размеры земного шара не позволяют безгранично увеличивать расстояние между радиотелескопами, поэтому и земные интерферометры уже достигли предела своих возможностей. К тому же и атмосфера нашей планеты не только вносит существенные искажения в прием радиосигналов, но и не дает исследовать их по всему диапазону электромагнитного спектра.
Радиотелескопы с усилителями принимаемых сигналов, установленные на безатмосферной Луне и спаренные с земными, позволят увеличить расстояние между ними до 400 тыс. км, что даст возможность повысить их разрешающую способность. Будучи связанными по радио- и телевизионным каналам с земными радиотелескопами, они станут уникальной радиоприемной системой с очень большой разрешающей способностью.
О ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
С момента создания общей теории относительности прошло уже полвека, однако вопрос об ее экспериментальном подтверждении остается актуальным и в настоящее время. Согласно этой теории, материальные тела влияют своей массой на окружающее пространство. Так, световой луч, представляющий поток мельчайших частиц - корпускул, проходя вблизи массивных тел, как бы притягивается ими, и его траектория искривляется.
Точный расчет на основе уравнений общей теории относительности показывает, что свет от звезды, проходя мимо края солнечного диска, должен отклониться от прямой приблизительно на 1,75 угловой секунды (угол, под которым спичечная коробка была бы видна с расстояния примерно 5 км). Трудность астрономического наблюдения этого эффекта весьма велика, и постановка эксперимента возможна только в момент полного солнечного затмения, когда свет звезд не теряется в несравненно более ярком излучении Солнца.
Отклонение световых лучей от прямой вблизи Солнца неоднократно наблюдалось астрономами. По данным наблюдений, величина отклонения составляет в среднем около 2 угловых секунд, т. е. немного больше теоретически рассчитанной Эйнштейном. Причина расхождения с теорией пока не ясна. Из лунной обсерватории будет несравненно легче выяснить ее, поскольку на небе Луны четче видны точечные изображения звезд, а отсутствие атмосферной рефракции даст возможность получить более точные результаты.
Общая теория относительности утверждает, что при движении света в гравитационном поле длина его волны изменяется. Если фотон, выпущенный с поверхности звезды, попадает в какую-либо другую точку пространства с меньшим гравитационным потенциалом, например на Землю, то длина волны его излучения увеличится. Это явление названо красным смещением, так как красный цвет отвечает самым длинным волнам видимой части спектра световых волн. Возможно смещение спектра и в сторону более коротких волн - в таком случае наблюдается эффект фиолетового смещения: фотон из точки с меньшим гравитационным потенциалом попадает в точку с большим. Так случится, например, с фотоном, пущенным с Луны на Землю и принятым на ней.
Вначале эффект красного смещения был обнаружен для спектра Солнца. В 1960 г, группа английских физиков проверила эффект в земных условиях. В обоих случаях опытные данные подтвердили теоретические предположения. Красное смещение с точностью до 4% совпало с рассчитанным теоретически. Разместив на Луне специальную аппаратуру, можно будет с еще большей точностью проверить этот эффект.
Вопросами строения и развития Вселенной занимается космология. Среди ее научных методов решающая роль принадлежит спектральному анализу света звезд и туманностей. Оказалось, что в спектрах почти всех наблюдаемых галактик линии, принадлежащие химическим элементам, имеют более длинные волны, чем линии тех же элементов в спектрах лабораторных источников. К тому же все линии в спектрах галактик смещены в сторону красной, длинноволновой части.
Принято считать, что это смещение обусловлено эффектом Допплера, суть которого состоит в том, что при движении источника волн (звуковых, световых и др.) относительно наблюдателя изменяется частота их колебаний. Представьте себе, что вы стоите на платформе железнодорожной станции. Приближающийся локомотив дает свисток, его звук повышается и кажется тем выше, чем больше скорость поезда, Но вот поезд промчался мимо вас, и высота звука резко меняется - она снижается тем быстрее, чем больше скорость удаляющегося поезда.
При сближении движущегося источника света с наблюдателем частота колебаний световой волны возрастает, так как в данный момент наблюдатель принимает все большее число волн. Когда же источник света удаляется от наблюдателя, последний принимает все меньшее число волн. Понижение частоты колебаний световой волны сопровождается смещением в сторону красного участка спектра, а повышение - в сторону фиолетового. Этот эффект, названный эффектом Допплера, пражского математика, объяснившего его, проявляется тем сильнее, чем больше скорость относительного перемещения источника и наблюдателя и чем меньше длина световой волны.
В огромном пространстве Вселенной, доступном наблюдениям, источники светового излучения как бы разбегаются от нас с очень большой скоростью, величину которой можно определить по характеру смещения. Это обстоятельство позволило ученым сделать вывод огромного научного значения: красное смещение галактических спектров объясняется перемещением галактик по лучу зрения - к нам или от нас. Тот же яывод при определенных положениях вытекает из общей теории относительности. При помощи квантовых генераторов света, установленных ня Луне и на Земле, можно будет получить еще одно экспериментальное подтверждение эффекта красного смещения галактических спектров.
Недавно появилось сенсационное сообщение о том, что американскому ученому Д. Веберу удалось зарегистрировать гравитационную волну в космосе. Это еще одно экспериментальное подтверждение справедливости общей теории относительности. В 1916 г. основоположник этой теории А. Эйнштейн высказал предположение, что поля тяготения небесных тел должны излучать гравитационные волны. Но так как энергия этих волн чрезвычайно мала, обнаружить их очень трудно. Даже такой гигант Солнечной системы, как Юпитер, при движении вокруг Солнца создает гравитационное излучение мощностью всего 450 вт. Попробуйте различить свет пятисотваттной лампочки с такого громадного расстояния! Ведь диск этой планеты выглядит тусклой звездочкой.
Только очень массивные объекты генерируют достаточно мощные гравитационные волны. Эти волны возникают при коллапсе звезд - их сверхплотном сжатии под влиянием громадной силы тяжести, а также при вращении нейтронных звезд - «белых карликов». Для улавливания гравитационных волн, идущих из глубин Вселенной, в качестве антенны Д. Вебер использовал земной шар. Это массивное тело, считает ученый, в гравитационных волнах должно пульсировать. Для регистрации колебаний Д. Вебер поместил в вакуумные камеры, изолированные от посторонних колебаний, тысячекилограммовые алюминиевые цилиндры. Два таких цилиндра были удалены друг от друга на расстояние 1000 км (один находился недалеко от Вашингтона, другой - близ Чикаго). Гравитационные колебания Земли, полагает Д. Вебер, должны вызывать резонансные упругие колебания в цилиндрах. Однако существует множество причин, которые случайно могут вызвать ожидаемую разность потенциалов. И все же маловероятно, чтобы такая разность возникала одновременно на двух детекторах, расположенных столь далеко друг от друга.
Совпадения (а они наблюдались не менее десяти раз за три месяца исследований) могли быть вызваны и другими причинами, например колебаниями почвы или электромагнитными излучениями колеблющихся цилиндров. Большие неприятности экспериментаторам доставляли случайные электромагнитные волны. Хотя их интенсивность была, видимо, очень мала: цилиндры тщательно экранировались, - -но даже очень малые помехи могли свести на нет всю работу. Д. Вебер пришел к выводу, что задача может быть решена, если расположить цилиндры и на Земле и на Луне. Сравнивая, результаты их показаний, можно будет с большой точностью определить не только скорость волн гравитации, но и их мощность и направление.
Американские ученые намерены доставить на Луну специальный детектор гравитационных волн. Обнаружение их будет иметь не меньшее научное и практическое значение, чем открытие радиоволн. Некоторые ученые полагают, что волны гравитации распространяются практически мгновенно. Нетрудно представить себе, какое громадное значение могла бы приобрести связь на гравитационных волнах для межпланетных, а в будущем - и для межзвездных кораблей.
Вспомним историю открытия электромагнитных волн. Существование их предсказал Д. Максвелл. Впервые их обнаружил Г. Герц, а практически применил А. Попов. С открытием гравитационных волн возникнет новая область астрофизических исследований - гравитационная. Она существенно дополнит информацию, которую дают науке оптическая, радиолокационная, рентгеновская, гамма-квантовая астрономия и астрофизика.
СВЕТОВОЙ РЫЧАГ
По безбрежным просторам Вселенной среди звезд маленькими невидимыми песчинками плывут космические корабли. Увидеть их даже в самые лучшие телескопы невозможно. Только радиоволны связывают их с Землей, но временами, когда корабли проходят мощные зоны ионизированного газа, и они прерываются. И тогда вступают в действие лазеры кораблей. Они посылают к Земле тонкие, как иглы, но чрезвычайно мощные потоки световых лучей. Благодаря им удается не только слышать радиоголос межпланетных кораблей, но и видеть их на огромном расстоянии.
Существует несколько конструкции лазеров, использующих для получения светового луча твердые минералы, жидкости и газообразную среду. Из квантовой механики известно, что атомы и ионы твердого, жидкого и газообразного вещества служат своего рода аккумуляторами энергии. Они обладают свойствами излучать и поглощать энергию строго определенными порциями - квантами. Для того чтобы атом мог испустить квант энергии, его нужно «возбудить», т. е. сообщить ему некоторую избыточную энергию. Ее сообщает ему электромагнитное поле, создаваемое вспомогательным генератором подкачки, или подсветки. Частицы вещества квантового генератора (лазера), поглотив определенную дозу энергии генератора подсветки, переходят на более высокий энергетический уровень. При определенных условиях атомы испускают накопленную энергию в виде электромагнитного излучения, строго согласованного по фазе и частоте.
На берегу реки стоит группа людей, беседующих в ожидании парома. Если паромщика выкликнет один человек, его голос может потонуть в говоре всех ожидающих. Но если одновременно крикнут все, мощность звука во много раз возрастет, и на другом берегу услышат зов. Между возбужденными атомами в квантовом генераторе должна проявляться подобная согласованность. Благодаря ей можно получить узкий луч с параллельными волнами одинаковой длины. Яркость такого луча может в миллион раз превысить яркость Солнца, а световое давление достигать нескольких миллионов атмосфер.
Чтобы с помощью лазера с Луны осветить на Земле площадку в 1 км2, понадобится прожектор диаметром всего лишь 20 - 30 см. Такой космический прожектор можно направить и в глубь Вселенной. Но для чего? Известно, что чем больше расстояние между двумя радиостанциями, тем точнее должна быть направленность антенн передатчика для создания достаточного напряжения на входе приемника. Но в физике есть неумолимый закон: мощность излучения, будь то видимый свет или радиоволны, уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Поэтому для поддержания устойчивой связи с межпланетными кораблями нужно располагать не только остронаправленными антеннами, но и мощными передатчиками и весьма чувствительными приемниками.
Чтобы сконцентрировать излучаемую радиопередатчиком энергию, собрать ее в узкий пучок и тем увеличить плотность ее в месте приема, пользуются специальными остронаправленными параболическими антеннами, устанавливаемыми и на Земле, и на космических аппаратах. На Земле эти устройства иногда достигают очень больших размеров. Так, диаметр зеркала одного из крупнейших радиотелескопов равен 76 м, весит радиотелескоп 2 тыс. т, а его бетонное основание - 10 тыс. т. Разрабатываются проекты радиотелескопов еще большей разрешающей силы, с диаметром зеркала 250 - 300 м. Однако для той или иной длины волны существует предел, который не позволяет увеличивать размеры зеркала. Подсчитано, что при длине волны 3 см диаметр параболоида должен быть 150 м. Мощность радиопередатчика также нельзя увеличивать беспредельно, потому что электрические свойства атмосферы Земли существенно влияют на прохождение радиосигналов.
Автоматические межпланетные станции, направляемые к Луне, Марсу и Венере, оборудуются специальными параболическими антеннами диаметром около 2 м, позволяющими создавать остронаправленное излучение радиоволн. Если учесть, что пучок радиоволн, излучаемый такой антенной, будет тем уже, чем больше размеры антенны, и что с увеличением расстояния требуется все более остронаправленное излучение, то необходимость увеличения размеров таких антенн станет вполне очевидной. Но чем больше параболоид, тем труднее разместить его на космическом аппарате.
Лазеры, при их исключительно малых размерах, позволяют формировать пучки остронаправленного светового излучения огромной мощности и благодаря этому добиваться несравненно большей дальности связи космических кораблей с Землей. Возможная дальность действия лазеров будет исчисляться миллиардами километров. Если учесть, что для генерирования радио- и светового излучения в космосе можно использовать практически неисчерпаемый поток солнечной энергии, особенно при полете к Марсу, Венере и Меркурию, и принять во внимание малый вес и размеры лазеров, то станут вполне очевидны их преимущества перед другими средствами космической радиосвязи.
С помощью лазеров можно будет измерять расстояние между космическими кораблями в полете, их высоту и скорость над поверхностью планет. Заметим, что точность измерения скорости радиолокатором диаметром 18 м, установленным на космическом корабле, при посадке на Луну в 2 тыс. раз меньше той, которую в состоянии обеспечить навигационная допплеровская система с лазерным лучом, диаметр оптической системы которой всего лишь 60 см. Лазеры могут служить и своего рода навигационными маяками. На внешней поверхности космического корабля можно расположить специальные устройства для обнаружения световых сигналов. После их приема будут выдаваться ответные световые сигналы.
Высокомонохроматический луч света лазера - прекрасный передатчик информации. С помощью космических станций светового диапазона можно будет одновременно передавать около миллиарда телефонных разговоров или несколько тысяч телевизионных программ. Чем короче длина волны, тем больше частота электромагнитных колебаний. При длине волны в 300 м она составляет 1 млн. колебаний в секунду, а при длине волны в 3 м - 100 млн. колебаний в секунду. Световые же волны имеют частоту в сотни миллионов и даже миллиардов герц. А чем больше частота волны, тем большее количество элементарных сигналов можно передавать на ней в единицу времени.
Точная направленность и значительная мощность лазерного светового потока позволяют использовать его в качестве средства световой локации небесных тел. Мощность радиосигнала, переданного радиолокатором и принятого им же после отражения от объекта локации, ослабляется пропорционально четвертой степени расстояния. Какие же мощные радиопередатчики и высокочувствительные радиоприемные устройства нужны для осуществления космической радиолокации! Мощность радиопередатчика, которым пользовались советские радиофизики для локации Венеры, составляла 250 млн. вт, а принятый радиолокатором отраженный сигнал был примерно в 100 млрд. раз меньше, чем одна миллиардная от одной миллиардной той мощности, какую имеет настольная лампа. Чтобы уловить столь ничтожную долю энергии, приемник должен быть необычайно чутким.
Лазеры позволят сделать приемную аппаратуру еще более чувствительной. Использование их в радиотелескопах, радиолокаторах и в других радиотехнических устройствах даст возможность значительно увеличить дальность действия последних. Благодаря лазерам можно будет наблюдать небесные тела малой радио- и световой яркости, излучения которых пока не улавливаются. И если использование для этой цели лазерных устройств на Земле затруднено рассеянием света в атмосфере, то возможности световой локации небесных тел с поверхности безатмосферной Луны поистине фантастические.
Обычные радиолокаторы из-за широкого диапазона направленности антенны не могут различать предметы, находящиеся близко один от другого. Лазеры обеспечат им высокую разрешающую способность. Они позволят получать изображения поверхности небесных тел с четкостью, пока не достижимой никакими другими средствами, более точно картографировать эту поверхность и решать многие научные задачи, связанные со строением и движением небесных тел.
ЛАЗЕРНЫЕ МОСТЫ
Первые эксперименты по лазерной локации Луны были осуществлены учеными США и Советского Союза в 1962 - 1963 гг. Основная их цель состояла в уточнении расстояния от Земли до Луны. Световой луч был направлен на Луну. Отразившись от ее поверхности, он возвратился на Землю, где был принят специальным приемным устройством. Длительность импульса составила около тысячной доли секунды. Расстояние до Луны определялось по скорости распространения света и времени прохождения импульса от Земли до Луны и обратно. Оно было вычислено с точностью до 150 км. В дальнейшем, при применении для локации лазерных источников света с длительностью импульса около одной стомиллионной доли секунды, появилась возможность определить расстояние до Луны с точностью до нескольких сот метров.
Несколько веков ученые старались понять законы движения Луны. Удовлетворительная теория этого движения, предназначенная для практических целей - для составления прогнозов движения Луны, - появилась только в начале нашего века. В основу ее был положен ньютоновский закон всемирного тяготения. В качестве так называемых констант интегрирования в нее входит ряд основных параметров системы Земля - Луна. Но так как основные параметры системы Земля - Луна: расстояние между ними, радиус лунного шара и т. п. - были определены с ограниченной точностью, то и достоверность самой теории оказалась не вполне достаточной. Так, астрометрические характеристики орбиты Луны определялись путем угломерных наблюдений различных точек лунной поверхности при разных положениях Луны относительно Земли. А поскольку измеряемые углы были невелики, полученные результаты не отличались высокой точностью. Среднее расстояние между центрами масс Луны и Земли (средний радиус орбиты) было, например, измерено с ошибкой в 3 - 4 км. Фигура Луны изучалась в основном стереофотограмметрическими методами, путем расшифровки стереоскопического эффекта пар фотографий Луны, снятых при различных ее либрациях. Точность измерения радиуса Луны, направленного к Земле («лобовой радиус»), составила ±4 - 5 км. В координатах различных точек Луны относительно Земли также были ошибки в несколько километров. Стало очевидно, что в рамках угломерного метода невозможно повысить точность этих констант.
Оптическая локация Луны позволила вести измерения с более высокой степенью точности. Но и тут не обошлось без трудностей. Первая состояла в том, что световой луч по пути к Луне и обратно значительно ослабевал. По возвращении в светоприемник его мощность была в 1020 раз меньше первоначальной. К тому же отраженный Луной сигнал нес десятки и сотни фотонов, которые было нелегко выделить на фоне различных вредных помех.
Вторая трудность носила более принципиальный характер. Из-за многократного рассеяния во время прохождения через земную атмосферу световой луч претерпевал отклонения. Несмотря на то что его компоненты первоначально были строго параллельными, при выходе из атмосферы угол его раствора составлял 2 - 3 угловые секунды. Соответствующее этой расходимости световое пятно занимало на Луне площадку диаметром 3,5 - 5 км. Если оно покрывало неровные участки поверхности, то ошибка в дальности определялась по относительным высотам рельефа. Сферичность Луны приводила к дополнительному «размытию» отраженного импульса, и тем большему, чем дальше исследуемый участок от центра видимого диска лунного шара. Объект локации приобретал некоторую пространственную глубину, что и приводило к ошибке в измерении расстояния в сотни метров, а иногда и в несколько километров.
Все эти трудности удалось бы в значительной степени устранить, расположив на Луне специальные отражатели, которые обеспечили бы направленное отражение лазерных лучей на Землю. Будучи точечной мишенью, они уменьшили бы «размытие» отраженного сигнала и тем самым позволили более точно измерить расстояние до облучаемого объекта.
На Луне уже находится четыре таких отражателя, сделанных учеными США, СССР и Франции. Так, изготовленный французскими учеными светоотражатель представляет собой панель, на которой расположено четырнадцать четырехгранных призм. Каждая призма выглядит как уголок, отрезанный от куба так, что три ее угла прямые. Если на плоскость среза, являющуюся входной гранью призмы, послать луч света, то после трехкратного внутреннего отражения в призме он выйдет из нее в направлении падающего луча. Свойство призмы отражать свет точно в обратном направлении сохраняется только при условии, что ее прямые углы выдержаны с точностью до десятой доли угловой секунды. Вес отражателя - 3,7 кг.
В состав комплекта отражателя входит оптический передатчик на рубиновом лазере с модулированной добротностью и длительностью импульса в одну стомиллионную долю секунды, узкополосный фотоприемник с системой регистрации отраженного сигнала, измеритель времени распространения светового сигнала до отражателя и обратно с точностью измерения до стомиллионной доли секунды, блоки автоматики и управления всем комплексом аппаратуры.
Лазерная локация Луны с территории Советского Союза проводилась Крымской астрофизической обсерваторией с помощью телескопа с зеркалом диаметром 2,6 м, а с территории Франции - обсерваторией «Пик-дю-Миди» с помощью телескопа метрового диапазона.
В декабре 1970 г. советские ученые провели первый успешный эксперимент по лазерной локации французского светоотражателя, работа которого, по сообщениям французской печати, рассчитана на 10 лет. Телескоп работал как гигантский прожектор, каждые 15 сек. посылая к Луне световой импульс мощностью 300 мгвт. Отраженный, очень ослабленный сигнал попадал на зеркало телескопа-излучателя. Длительность светового импульса составляла стомиллионную долю секунды. С такой же точностью регистрировалось время прохождения света до объекта локации и обратно. Знание скорости света позволило точно рассчитывать путь светового луча, определять расстояние до облучаемого объекта.
Отдельные фотоны принимались узкополосным фотоприемником. Правда, помимо полезного сигнала на вход приемника попадало световое излучение Луны и звезд. Оно «накладывалось» на полезный сигнал и создавало помехи, подобные помехам грозовых разрядов радиоприему. Если учесть, что фотоприемник, принимая лишь отдельные фотоны, позволяет добиться высокой точности в измерении расстояния до объекта локации, станут вполне очевидными трудности в измерении времени распространения светового сигнала от телескопа до отражателя и обратно.
Трудности еще и в том, что луч лазера на Луне освещает пятно диаметром в несколько километров, но только небольшая часть лучей, попавшая на отражатель, возвращается обратно. На Земле из пятна отраженного света диаметром примерно 10 км мы можем принять только пятно света в размер входного отверстия приемного телескопа. Отсюда ясна целесообразность использования телескопов большого диаметра со специальным регистрирующим устройством.
Непосредственный результат локации - измерение с большой точностью расстояния от места земного наблюдения до поверхности небесного тела. Сама по себе величина расстояния особой ценности не имеет, но, будучи связана с другими характеристиками (размерами и формой небесного тела, характером его движения по орбите и внутренним строением), она может помочь прийти к выводам фундаментального значения. Так, «обстрел» отражателей, расположенных с различных районах лунной поверхности, земными лазерами даст возможность проводить весьма точные геодезические и геодинамические измерения системы Земля - Луна и на этой основе повысить точность ее главных параметров примерно на два порядка, исследовать вращение и либрацию Луны, ее форму и тем повысить точность определения местоположения любого пункта на Земле и на Луне, а также тщательно исследовать такие фундаментальные характеристики Земли, как скорость ее вращения, движение ее полюсов и дрейф континентов.
Для чего это нужно? Известно, что Земля вращается вокруг своей воображаемой оси неравномерно. Астрономы изучили эту неравномерность путем наблюдения за звездами. Метод лазерной триангуляции между земными обсерваториями и отражателями, расположенными на Луне, позволит регистрировать это вращение с очень большой точностью.
Уже более 70 лет астрономы и геофизики внимательно следят за движением полюсов Земли, пытаются связать его особенности с различными явлениями на ее поверхности и в недрах. На съезде Международного астрономического союза, который проходил в Англии в августе 1970 г., оживленно обсуждался вопрос о том, влияют ли на движение полюсов землетрясения. К сожалению, из-за недостатка точных сведений астрономам все еще приходится осредннть данные о движении полюсов, отчего небольшие изгибы и изломы их траекторий сглаживаются или совсем не учитываются. Этого не будет, если данные о движении полюсов удастся получить с помощью точных измерений расстояний от различных точек земной поверхности до Луны. Таким образом может быть найден новый путь в решении одной из наиболее неотложных проблем физики Земли - проблемы предсказания землетрясений.
В конце шестидесятых годов ученые приступили к разработке международной программы по изучению дрейфа материков. По современным представлениям, не только небольшие впадины вроде озера Байкал, но и целые океаны, например Атлантический, образовались благодаря раздвиганию материков. Широко известна гипотеза геофизика А. Вегенера о перемещении материков. Еще в 1920 г. он обратил внимание на сходство береговых линий Африки и Европы с береговыми линиями Южной и Северной Америки. Рассматривая карту, можно видеть, как практически точно «сходятся» линии материков. А. Вегенер высказал предположение о существовании некогда единого проконтинента, который был разорван и раздвинут. В свое время этот вопрос обсуждался на страницах специальных и научно-популярных журналов. Гипотеза не получила достаточно убедительных доказательств, и о ней забыли. Сейчас к ней снова вернулись. Многолетние наблюдения показали, что процесс расхождения материков идет со скоростью 2 - 4 см в год. За длительный промежуток времени он может существенно изменить облик нашей планеты. А. Вегенер считал, что под материками мощность (толщина) земной коры гранитного и базальтового состава составляет около 100 км и что земная кора лежит на более основных, содержащих меньше кремнезема и богатых магнием породах, которые находятся в расплавленном или в пластичном состоянии. На ней материки плавают, как айсберги в северных и антарктических морях. Сейсмические исследования, проведенные в последнее время, подтвердили принципиальную возможность гипотезы А. Вегенера. Надо полагать, что в проверке этой гипотезы существенную помощь окажет метод лазерной локации Луны.
Представьте себе, что на Земле построена гигантская триангуляционная вышка, на вершине которой укреплена Луна. Если она будет видна в одно и то же время с разных материков, например из Европы и из Америки, то, направив строго одновременно в определенную точку лунной поверхности лазерные лучи, можно измерить угол между ними. Зная этот угол и расстояние, до Луны, можно с высокой степенью точности измерить горизонтальное расстояние между двумя удаленными друг от друга пунктами земной поверхности.
Правда, по одному измерению нельзя определить движение материков. Но если измерения вести в течение нескольких лет, можно со значительно большей точностью установить, изменилось ли расстояние между этими пунктами хотя бы на несколько сантиметров, т. е. узнать, удаляется ли Америка от Европы. Все эти сведения будут иметь первостепенное значение при разработке общей теории деформации земной коры. Они помогут проверить гипотезу образовании материков и океанов на Земле. Если будет установлено, что Америка действительно удаляется от Европы, то тогда подтвердится та точка зрения, что Атлантический океан - сравнительно молодой, вторичный, что образовался он вследствие раскола материковой массы земной коры и постепенно расширяется за счет смещения американского континента в западном направлении.
В последние годы добыто немало интересных сведений об океанском дне. Оказалось, что только в Тихом океане не менее десяти тысяч вулканов - больше, чем на всех материках. Самые длинные и мощные цепочки вулканов относятся к срединно-океаническим хребтам. По мнению некоторых ученых, в районе срединно-океанических хребтов кора расходится, и вещество мантии медленно поднимается на поверхность или изливается в виде вулканических лав. На проходившей летом 1971 г. в Москве XV Генеральной ассамблее Международного геодезического и геофизического союза было принято решение о проведении в ближайшее десятилетие совместных научных работ ученых многих стран в рамках международного «Геодинамического проекта», основой которых станет гипотеза растекания океанского дна. Она предполагает следующую модель глубинных процессов в пластах земной коры, лежащих под толщей океана: вещество поднимается с глубины наверх в районе срединно-океанических хребтов и потом растекается по их склонам, оттесняя в сторону более старые породы, которые, в свою очередь, опускаются на глубину. Нет сомнения в том, что в познании этого сложного процесса большую помощь исследователям окажет лазерная локация.
Существует теория, которая объясняет дрейф материков влиянием Луны. Благодаря приливному трению наружные слои Земли по отношению к внутренним как бы затормаживаются, и за счет этого возникает дрейф наружных оболочек Земли по ядру. В пользу этого объяснения как будто бы свидетельствуют гирлянды островов, выгнутые в виде полукругов или дуг. Это Японские, Курильские и Алеутские острова. Как правило, выпуклость их обращена на восток или на юг и никогда - на запад. Может быть, Луна действительно играет роль своего рода тормоза и тянет за собой некоторые массы?
Известно, что Луна вызывает приливы. Приливы создают трение, действующее на нашу планету как гигантский тормоз. Вращение Земли замедляется, сутки становятся длиннее - Земля теряет угловой момент движения. По закону сохранения энергии, эта величина в замкнутых системах не может исчезать, а только перераспределяется. Значит, угловой момент движения Земли поглощается Луной, радиус орбиты последней становится больше, и она постепенно удаляется от Земли. Если путем прецизионных измерений будет установлено, что расстояние между Землей и Луной увеличивается, можно будет считать эту гипотезу верной.
Многие ученые полагают, что землетрясения тесно связаны с покачиванием земной оси, происходящим в периоды новолуний и полнолуний, когда гравитационное взаимодействие Земли и Луны максимально. Колебания земной оси можно установить с помощью средств лазерной техники, расположенных на Луне.
Мы знаем, что земная кора состоит из ряда платформ, которые находятся в постоянном движении. С помощью лазерной техники можно проследить вертикальные сдвиги земной коры, например установить, опускается или поднимается та или иная горная цепь на Земле. Наблюдения за движением отдельных платформ земной коры, проводимые при помощи лазеров, позволят с большой точностью предсказывать, что произойдет в результате соприкосновения этих платформ. Найдет ли одна на другую или они столкнутся - земная кора станет сморщиваться, образуя складки. Сторонники этой гипотезы собрали достаточно фактов для того, чтобы рассматривать возможность горизонтальных перемещений континентов как серьезную научную проблему. Правда, у этой гипотезы и немало противников. Вокруг нее не случайно ломаются копья: здесь в единый узел связаны многие аспекты науки о Земле, включая и вопросы формирования залежей полезных ископаемых.
Огромные возможности для лазерной локации небесных тел откроются при размещении на Луне телескопов, оборудованных мощными лазерами и связанных со светоотражателями, расположенными на других небесных телах: планетах и их спутниках, крупных астероидах и некоторых кометах. Световому лучу очень трудно пробиться сквозь атмосферу Земли. Облака и туман, пыль и дым, многие вещества, присутствующие в атмосфере, сильно ослабляют световой луч. Если учесть, что луч лазерного света должен пересечь толщу земной атмосферы дважды, станут вполне очевидными трудности лазерной локации небесных тел с Земли. Высокоточные измерения расстояний от нескольких точек земной поверхности до системы точек лунной поверхности могут стать методом решения разнообразных задач фундаментального научного значения.
Лазерные источники света могут быть использованы, например, для передачи энергии с Луны на космические корабли, бороздящие просторы Солнечной системы. Ведь в космическом пространстве затухание энергии отсутствует. А так как в переносе энергии участвуют не электроны, а фотоны, можно будет передавать ее на значительные расстояния. Лазеры могут быть успешно использованы и в решении такой величественной научной задачи, какой является связь с инопланетными цивилизациями.
НА ВСТРЕЧУ С ИНОПЛАНЕТНЫМИ ЦИВИЛИЗАЦИЯМИ
Уже давно людей волнует вопрос: есть ли где-нибудь вне Земли разумные существа и возможно ли установить с ними контакт? Ответа на этот вопрос наука пока дать не может. Однако трудно представить себе, чтобы из 130 млрд. звездных миров, входящих в нашу Галактику, только Солнце имело планеты и чтобы только на одной из них, на Земле, возникла жизнь и создалась цивилизация. И уже совсем невозможно допустить мысль, что ничего подобного не могло появиться хотя бы в одной из миллиарда галактик, составляющих наблюдаемую нами область Вселенной.
Вопрос о множественности обитаемых миров имеет многовековую историю. С древности ученые задумывались над тем, одиноки ли мы во Вселенной или же в ее бесконечных просторах есть планеты, которые, так же как и Земля, населены разумными существами. Со времен Эпикура, Демокрита и Лукреция существовало убеждение, что во Вселенной живем не мы одни, что в ней рассеяно бесчисленное множество миров, где, как и на Земле, есть жизнь и обитают мыслящие существа. Еще в IV веке до нашей эры греческий философ Метродор сказал: «Кажется нелепым, когда на большом поле растет лишь один стебель, а в бесконечном пространстве существует только один мир».
И если в течение многих веков эта идея считалась крамольной, еретической (вспомним великого мученика науки Джордано Бруно, заживо сожженного на костре инквизиторами в Риме в 1600 г.), то сейчас она не встречает возражений. Сирано де Бержерак, Иоганн Кеплер, Фонтенель, Гюйгенс, Вольтер, а вслед за ними и другие ученые, философы и писатели неоднократно обращались к волнующей теме внеземных цивилизаций. Пламенным сторонником идеи множественности обитаемых миров был основатель научной космонавтики Константин Эдуардович Циолковский. «Все фазы развития живых существ можно видеть на разных планетах, - писал он. - Чем было человечество несколько тысяч лет тому назад и чем оно будет по истечении нескольких миллионов лет - все можно отыскать в планетном мире».
До сравнительно недавнего времени в астрономии и космогонии господствовало мнение о том, что планетные системы во Вселенной - величайшая редкость. Согласно космогонической гипотезе английского астронома Джинса, Солнечная система образовалась в результате почти катастрофического сближения двух звезд. Учитывая чрезвычайно малую вероятность звездных столкновений (расстояния между звездами по сравнению с их размерами чрезвычайно велики), Джинс пришел к выводу, что наша Солнечная система чуть ли не уникальное явление.
Теоретическими исследованиями американского ученого Г. Н. Рассела и советского астронома Н. Н. Парийского было доказано, что гипотеза Джинса не в состоянии объяснить одну из основных особенностей Солнечной системы - сосредоточение 98% момента общего количества вращения во вращении Солнца и лишь 2% - в орбитальном движении планет. Гипотезе Джинса был нанесен решительный удар.
Пришедшая ей на смену космогоническая гипотеза советского ученого О. Ю. Шмидта гласила, что образование нашей планетной системы произошло путем сгущения участков первоначального газово-пылевого облака, окружавшего Солнце несколько миллиардов лет назад. Но эта гипотеза не содержала обоснованного ответа на вопрос о происхождении первоначального газово-пылевого облака. Различные варианты объяснения его происхождения захватом Солнцем газово-пылевой межзвездной среды вызывали возражения.
Английский астроном В. Мак-Кри считает, что существовала некая первоначальная туманность, которая в процессе конденсации разбилась на большое число сгустков. В результате их взаимодействия образовалось массивное центральное тело - Солнце - и определенное количество планет. Это положение в некоторой степени согласуется с современной астрофизикой, указывающей на то, что большинство звезд-карликов определенных спектральных типов должно быть окружено семейством планет.
По подсчетам ученых, наша Галактика содержит более 100 млрд. звезд всех типов. Солнце расположено недалеко от плоскости галактического экватора, близ края одного из спиральных рукавов. В сфере Галактики радиусом в 100 световых лет от Солнца насчитывается около 10 тыс. звезд, значительная часть которых подобна Солнцу. А раз так, то следует признать, что, по крайней мере, несколько миллиардов звезд нашей Галактики имеют планетные системы.
Один из наиболее авторитетных астрономов нашего времени, американец Харлоу Шэпли в своей книге «Звезды и люди» убедительно обосновал утверждение, что в известной нам части Вселенной полное число звезд, имеющих планеты, пригодные для органической жизни, достигает минимально 100 млн. X. Шэпли допускает, что это число можно увеличить в сто миллиардов раз!
Конечно, весьма заманчиво хотя бы приближенно определить вероятное число цивилизаций, находящихся в обозреваемой нами части Вселенной. Но сделать это с достаточной степенью достоверности пока не представляется возможным, поскольку наши знания о планетных системах других звезд весьма скудны. Ведь до сих пор никому из астрономов не удалось наблюдать планеты вокруг других светил, так как из-за громадных расстояний до звезд в телескопы невозможно увидеть обращающиеся вокруг них относительно небольшие темные спутники-планеты. Правда, уже сделаны достаточно уверенные выводы о существовании планетоподобных тел, обращающихся вокруг некоторых близких к нам звезд. Это относится, например, к звезде 61 в созвездии Лебедя, вокруг которой движется спутник планетоподобной массы.
Обнаружен темный спутник и у знаменитой летящей звезды Бернарда. Летящей она называется потому, что по сравнению с другими звездами очень быстро перемещается по небесной сфере: угловое перемещение ее собственным движением составляет более 10 сек. в год. Звезда Бернарда - вторая по близости к Солнцу после альфа созвездия Центавра. Это «красный карлик» с массой около 0,15 массы Солнца. Расстояние ее от Земли составляет около шести световых лет. Американский ученый Ван де Камп обнаружил, что собственное движение звезды Бернарда характеризуется периодическими колебаниями, обусловленными присутствием невидимого темного спутника, масса которого в 1,5 раза больше массы Юпитера. Возможно, это планета-гигант, обращающаяся вокруг звезды по сильно вытянутой орбите.
Существование планетных систем строго не доказано. Вероятно, доказать его будет можно с помощью наблюдений из лунной обсерватории. Указывая на такую возможность, советский ученый И. С. Шкловский приводит следующее обоснование. Из-за преломления и рассеивания света в атмосфере Земли, говорит он, точечный источник света звезды размазывается в диск размером 0,5 - 2 сек. дуги. Между тем, если планета-гигант удалена от своей звезды на расстояние, равное расстоянию от Земли до Солнца, а сама звезда удалена от нас на 10 парсек, то угловое расстояние не будет превышать 0,1 сек. дуги. Это означает, что телескоп любых размеров, если он установлен на Земле, не отделит изображение планеты от изображения звезды. Кроме того, ввиду рассеяния света в земной атмосфере, вокруг сравнительно яркой звезды всегда будет светящийся ореол, в котором полностью «утонет» ничтожно слабая по своей яркости планета. Если же телескоп будет находиться на безатмосферной Луне, то этих помех не будет. Звездная величина большой планеты, сходной с Юпитером, находящейся на расстоянии одной астрономической единицы от звезды, похожей на Солнце и удаленной от нас на расстояние 10 парсек, будет около +24. Можно полагать, что даже при помощи современной техники наблюдений такой слабый объект будет обнаружен из лунной обсерватории.
Известный астроном Б. В. Кукаркин указывает на другую возможность обнаружения планеты из лунной обсерватории. Если бы воображаемый наблюдатель, находящийся на одной из не очень удаленных от Земли звезд, расположенной в плоскости орбиты Юпитера, начал систематически фотографировать Солнце, он обнаружил бы, что через каждые 11314,84 суток блеск Солнца уменьшается на 0,02 звездной величины. Эти ослабления вызываются тем, что Юпитер время от времени загораживает солнечный диск. Продолжительность затмения Солнца составляет всего лишь трое суток с четвертью, а начало и конец ослабления блеска (нисходящая и восходящая ветви) длятся менее часа каждое.
В земных условиях из-за турбулентности атмосферы и невозможности учета поглощения ею света нельзя добиться точности измерения выше 0,01 звездной величины. Поэтому решение задачи фотометрического обнаружения с Земли планет у звезд почти безнадежно. Но во внеатмосферных условиях при современной методике электрофотометрических измерений точность может быть повышена более чем на один порядок, и «затмения», вызываемые прохождением планет, могут быть надежно зарегистрированы. В условиях внеатмосферных наблюдении оптическая астрономия может добыть ценнейшую информацию о возможных планетных системах.
Бесспорного доказательства того, что кроме Солнца в Галактике есть и другие звезды, обладающие планетными системами, пока еще нет. Да и общепринятой теорией происхождения Солнечной системы мы все еще не располагаем. Если бы точно знать, как образовалась Солнечная система, можно было бы предположить, сколько планетных систем может быть хотя бы в пределах нашей Галактики.
НА КАКИХ ПЛАНЕТАХ МОЖЕТ ВОЗНИКНУТЬ ЖИЗНЬ?
Как известно, для развития жизни необходимо два условия: первое - химические соединения, которые были бы ее материальной основой, второе - источник энергии, который бы ее поддерживал. Разумеется, живая материя должна быть приспособлена к существованию в окружающих ее условиях. На Земле это вода и воздух, содержащий кислород, а также температура в строго определенных пределах. Если условия существования живой материн в космосе будут резко отличаться от земных, сама живая материя будет непохожа на земную.
Чтобы на другой планете могла развиваться жизнь, необходимо стечение и некоторых чисто астрофизических обстоятельств. Прежде всего звезда-мать, т. е. та звезда, вокруг которой движутся планеты, должна быть, подобно Солнцу, устойчивой в изменении своих размеров и температуры и обладать умеренным излучением. Рядом с ней не должны находиться переменные, новые и сверхновые звезды, вспышки которых порождают огромные потоки не только теплового излучения, но и излучений других видов, губительных для животного и растительного мира. Орбита планеты, на которой может быть жизнь, не должна очень отличаться от круговой. Только при этом условии планета будет равномерно получать от звезды-матери свет и тепло.
Звезда-мать не может состоять из двух или трех тел, поскольку в такой системе планеты движутся по сложным криволинейным орбитам. Период вращения планеты, на которой есть живая материя, вокруг своей оси должен обеспечивать такую смену дня и ночи на ней, при которой ее поверхность не будет чрезмерно нагреваться днем и охлаждаться ночью. Масса планеты не должна быть слишком большой или малой. На планете, массой подобной Луне или Меркурию, атмосфера не удержится и воды в жидком виде быть не может. Планета с большой массой, например такой, как у Юпитера, наоборот, окружена огромной газовой оболочкой, и ее поверхность недоступна для излучаемых звездой-матерью тепла и света.
Высокоорганизованная жизнь возможна только на планетах, обращающихся вокруг достаточно старых звезд, возраст которых насчитывает несколько миллиардов лет. Ибо для того, чтобы в процессе эволюции такая жизнь возникла, необходимо огромное время. За этот период звезда не должна существенно менять своей светимости. С момента рождения звезда должна быть в устойчивом состоянии - только тогда на планете, вращающейся вокруг нее, создадутся необходимые предпосылки для зарождения жизни.
Среди 48 звезд, расположенных на расстоянии менее 16 световых лет от Солнца, 38 совершенно исключаются из той категории звезд, планетные системы которых могут быть пригодными для жизни. Наиболее многообещающи три звезды: тау Кита, эпсилон Эридана и эпсилон Индейца. Правда, излучение звезды эпсилон Индейца составляет всего 16% от излучения Солнца. Эпсилон Эридана и тау Кита схожи с Солнцем, поскольку их массы почти равны массе Солнца. Спектром излучения, а следовательно, и температурой поверхности планеты, вращающиеся вокруг этих звезд, напоминают планеты Солнечной системы.
В воспоминаниях А. Е. Магарамма о Ленине приводятся такие слова Владимира Ильича:
«Вполне допустимо, что на планетах Солнечной системы и в других местах Вселенной существует жизнь и обитают разумные существа. Возможно, что в зависимости от силы тяготения данной планеты, специфической атмосферы и других условий эти разумные существа воспринимают внешний мир другими чувствами, которые значительно отличаются от наших чувств.
Заметьте: до недавнего времени полагали, что жизнь невозможна в глубинах океана, где с огромной силой давит вода. Теперь установлено, что на дне океанов приспособление живут разные породы рыб и много других разнообразных живых существ. У одних глаза заменяют осязательные органы, другие освещают себе путь органическими светящимися глазами».
ВОЗМОЖНЫЕ ТИПЫ ВНЕЗЕМНЫХ ЦИВИЛИЗАЦИЙ
На Земле жизнь существовала примерно в течение двух миллиардов лет, прежде чем на ней появились предшественники разумных существ. Всего около миллиона лет прошло с тех пор, как на нашей планете зародились разумные существа. История земной цивилизации насчитывает не менее шести тысячелетий, тогда как возраст нашей планеты исчисляется четырьмя-пятью миллиардами лет, а возраст обозреваемой нами области Вселенной - десятью миллиардами лет. Так что земная цивилизания находится в младенческом состоянии. Видимо, во Вселенной найдется немало других цивилизаций, стоящих на более высоком уровне.
Советский радиоастроном Н. С. Кардашев предлагает разделить все возможные виды цивилизаций на три типа по величине потребляемой ими энергии. К первому типу он относит цивилизации, научно-техническим уровнем сходные с земной, ко второму - цивилизации, способные овладеть энергией своей центральной звезды, к третьему типу - те цивилизации, которые способны управлять энергией в масштабе своей Галактики.
Современное человечество ежесекундно потребляет энергию в количестве 4·1019 эрг. Ежегодный прирост этой величины, по данным экономической статистики, составляет приблизительно около 3 - 4%. Нетрудно подсчитать, что человечество достигнет уровня развития, соответствующего цивилизациям второго типа, через 3200 лет, а соответствующего цивилизациям третьего типа - через 5800 лет.
Контакт с иными цивилизациями будет иметь для нас величайшее не только познавательное, но и практическое значение. Особенно заманчиво общение с более развитыми космическими цивилизациями.
Известный английский писатель-фантаст Герберт Уэллс в свое время записал мысли, высказанные В. И. Лениным по поводу романа «Машина времени»: «Все человеческие представления созданы в масштабах нашей планеты; они основаны на предположении, что технический потенциал, развиваясь, никогда не перейдет земного предела. Но если мы сможем установить межпланетные связи, то придется пересмотреть все наши философские, социальные и моральные представления».
ПУТИ КОНТАКТА С ИНОПЛАНЕТНЫМИ ЦИВИЛИЗАЦИЯМИ
Контакта земной цивилизации с инопланетной можно достичь несколькими путями. Первый путь - обмен информацией с помощью электромагнитных волн. Второй - посылка к другим звездам, имеющим планетные системы, населенные разумными существами, автоматических межзвездных зондов, оборудованных средствами оповещения о земной цивилизации. И наконец, третий путь - непосредственные контакты, взаимные посещения.
Два последних способа установления контакта с инопланетными цивилизациями недоступны технике сегодняшнего дня и пока выглядят фантастически. Ведь даже межзвездный зонд, направленный к ближайшей звезде проксима в созвездии Центавра, при скорости 20 км/сек должен лететь к ней 65 тыс. лет (расстояние 40000 млрд. км), а при скорости 100 км/сек - 13 тыс. лет!
Остается надежда получить от инопланетной цивилизации сигнал, содержащий определенное количество информации. Но полезный информативный сигнал будет сопровождаться неизбежными помехами, шумами - ведь любая электрическая искра порождает очаг шума. Излучения, вызываемые тепловым движением заряженных частиц, привели к тому, что по мощности излучения Земля занимает второе после Солнца место в Солнечной системе. Мощность излучения Земли в миллион раз больше, чем мощность излучения Венеры или Марса. Это излучение мешает земным радиотелескопам принимать излучения небесных светил. Радиотелескопы стараются размещать вдали от городов и промышленных районов, чтобы они улавливали как можно меньше шумов.
Вполне реальную возможность ограждения радиоприемной аппаратуры от земных искусственных помех предлагает Луна - необходимо лишь расположить радиоприемную аппаратуру на невидимом с Земли полушарии Луны. Такой природный экран, каким является само тело Луны, позволяет намного повысить качество приема радиосигналов.
Вращение Луны, совершающееся в 27 раз медленнее осевого вращения Земли, облегчает наблюдение небесных объектов с помощью радиотелескопов. Оно позволяет не только очень точно наводить радиотелескопы на изучаемый небесный объект, но и длительное время удерживать его в поле зрения. С Луны можно будет исследовать очень слабые небесные объекты, накапливая радиосигналы, идущие от них, что позволит очень точно определять координаты исследуемых объектов. Весьма существенно и то, что аппаратура лунной обсерватории не будет испытывать влияния радиационных поясов Земли и ее магнитного поля.
ТАИНСТВЕННЫЕ РАДИОСИГНАЛЫ ДАЛЕКОЙ ЗВЕЗДЫ
В 1960 г. американские ученые обнаружили невидимые источники космического радиоизлучения, которым присвоили наименование СТА-102 и СТА-21. Затем группа радиоастрономов Московского университета под руководством Г. Б. Шоломицкого обнаружила переменность потока космического радиоизлучения, идущего от источника СТА-102.
В 1964 г, советский астроном Н. С. Кардашев на основе анализа экспериментальных и теоретических данных пришел к выводу, что излучения от источников СТА-102 и СТА-21 могут иметь искусственное происхождение, быть радиосигналами весьма удаленных от нас космических цивилизаций.
Советский ученый обратился к зарубежным коллегам с предложением исследовать СТА-102 более тщательно. Если этот источник действительно не создан природой, а является творением разумных существ, заявил Кардашев, то он должен быть очень небольшим по размерам. Наблюдения радиоастрономов английской обсерватории «Джодрелл Бэнк» показали, что СТА-102 действительно чрезвычайно мал, меньше любого из известных нам во Вселенной источников радиоизлучения.
По гипотезе Н. С. Кардашева, поток радиоизлучения СТА-102 должен периодически меняться. Эксперименты, проведенные в Государственном астрономическом институте имени П. К. Штернберга, установили, что от этого источника на самом деле идет поток радиоволн, который то ослабевает, то возрастает. По наблюдениям радиоастронома Г. Б. Шоломицкого, «мигания» повторялись регулярно каждые сто дней. Они то ослабевали, то усиливались, как сигналы далекого маяка.
Итак, по крайней мере, два основных свойства радиообъекта СТА-102 совпадают с предполагаемыми, теоретически предсказанными Н. С. Кардашевым: малые угловые размеры источника и строго определенная изменчивость радиоизлучения во времени. Малые угловые размеры источника СТА-102 обусловливаются тем, что размеры его, так же как и размеры Земли, вероятно, ограничены, а изменчивость радиосигналов во времени, возможно, свидетельствует об их искусственном происхождении.
В беседе с корреспондентом «Правды» заведующий отделом радиоастрономии Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга при Московском университете профессор И. С. Шкловский заметил: «Что можно сказать по поводу этих в высшей степени интересных наблюдений? Этот источник радиоизлучения может либо быть представителем совершенно нового класса объектов, либо отражать совершенно новые свойства уже известных космических источников радиоизлучения (например, остатков взрывов так называемых «сверхновых» звезд). Конечно, нельзя исключить и волнующую гипотезу о том, что наблюдается искусственный сигнал от внеземной цивилизации. Необходимы, однако, новые специальные наблюдения, чтобы гипотеза стала научным фактом».
МЕЖЗВЕЗДНЫЙ ЗОНД
Вообразим себя свидетелями величественного события, которое, безусловно, произойдет еще при жизни нашего поколения. «Слушайте информационное сообщение! - передает радио. - Первая в истории Земли межзвездная ракета-зонд продолжает свой стремительный полет к ближайшей от нас звезде проксима Центавра».
Вот уже более 5 млрд. км отделяют от нас межзвездный зонд. Но это лишь начало того колоссального пути, который ему предстоит преодолеть, прежде чем он приблизится к новому Солнцу, находящемуся в созвездии Центавра. Оно так далеко от Земли, что луч его света идет к ней 4 года 2 месяца 28 дней. 40000 миллиардов километров! Для того чтобы зонд можно было видеть в самые мощные оптические устройства, с его борта периодически, в установленное время, будет выпускаться порциями химическое вещество, образующее светящиеся облака. Помните волшебное сияние в космической глубине натриевых паров, выброшенных в космос первой в истории советской космической ракетой, ставшей первой искусственной планетой Солнечной системы? По ярко светящимся на фоне темного небосвода сигнальным облакам ученые будут следить за полетом галактического зонда, точно определяя его положение на межзвездной трассе. На борту станции будет установлено специальное лазерное устройство, периодически посылающее к Земле мощные световые сигналы, хорошо видимые с такого громадного расстояния.
В 1896 г. русский ученый А. С. Попов впервые передал радиосигналы на 250 м. В тридцатых годах нашего века люди с восторгом говорили о радиосвязи на 20 тыс. км. В 1959 г. советские ученые впервые осуществили радиосвязь с космической ракетой с расстояния более чем полмиллиона километров. Темпы увеличения дальности двусторонней радио- и телевизионной связи стремительно нарастали по мере проникновения в глубины космоса.
Радиотелеметрическая система межзвездного зонда продолжает информировать нас об условиях, господствующих на трассе его полета. Изучая эту информацию, специалисты ищут ответ на один из самых значительных вопросов физики: справедлив ли открытый в начале века Альбертом Эйнштейном закон, согласно которому в движущемся с огромной скоростью космическом аппарате время течет медленнее, чем на Земле. Для этой цели межзвездный зонд оснащен специальным измерителем времени сверхвысокой точности. Его показания периодически сверяются с показаниями такого же измерителя времени, находящегося на Земле. В результате этого эксперимента станет ясно, как далеко человек сможет проникнуть во Вселенную в сроки, соразмерные с продолжительностью его жизни.
И наконец, зонд оснащен специальной радио- и телевизионной аппаратурой, которая периодически будет передавать в космос информацию о земной цивилизации. И если в радиусе ее действия окажется высокоразвитая цивилизация, которая сможет принять эту информацию, мы, земляне, заявим ей о себе.
Многое из того, о чем рассказано в этой книге, пока еще относится к области мечты. Однако нет сомнений в том, что ученые всех стран, объединившись, возьмутся за осуществление грандиозных задач покорения «седьмого континента». И тогда многие нерешенные проблемы станут реальностью, ибо нет предела могуществу человеческого разума, подчиняющего себе природу.
СОДЕРЖАНИЕ
Родословная нашего спутника 17
Что сегодня известно о Луне 21
Почему Луна не имеет атмосферы 23
Лунный покров 25
Движение Луны и смена лунных фаз 31
Трассы полета советских лунников 39
Ударная встреча 40
Мягкая посадка 44
Облетные пути 54
Фотография века 56
Первые магелланы Луны 60
Особенности трасс полета автоматических станции «Луна-1», «Луна-4», «Зонд-3» 72
Старт с околоземной орбиты 78
Трасса Земля - Луна - Земля 81
Вход в атмосферу Земли и снижение спускаемого аппарата станций «Зонд-5», «Зонд-6», «Зонд-7», «Зонд-8» 84
Научные результаты полетов станции серии «Зонд» 89
Земля и Луна из космоса 90
Первый лунный кибер 92
«Космическая колесница» на Луне 102
Лунные космические аппараты США 125
Запуски автоматических станций серии «Рейнджер» и «Сервейор» 126
Программа «Аполлон» 131
Высадка людей на поверхность Луны 132
Некоторые впечатления первых космонавтов, побывавших на Луне 139
Драматический полет «Аполлона-13» 149
Полет «Аполлона-14», «Аполлона-15», «Аполлона-16» и «Аполлона-17» 151
Особенности лунного мира и проблемы его освоения 153
День, равный пятнадцати суткам 153
Затмение Солнца на Луне 156
Ночь серебряного шара 157
Небо с «мертвыми» заездами 159
Земля на лунном небе 160
Каким должно быть жилище на Луне? 163
Биологический ритм 166
Энергетика «седьмого континента» 106
Слово о селенографии 171
Карты звездного неба 181
Луна и тайны Земли 183
«Геологический рай» 184
Вулканизм или люминесценция? 189
Землетрясения и лунотрясения 192
Тайна происхождения нефти 196
Загадочные лучи 199
Земное динамо 201
Цепочки кратеров и цирков 206
Пылевые спутники 207
Таинственные кратеры 209
«Слезы». Селены 210
Лунные масконы 213
Есть ли на Луне вода? 216
Признаки жизни 219
Луна - научная станция 225
Прогнозирование погоды 226
Спутники на службе метеорологии 227
Метеоцентр на Луне 228
Космический ретранслятор 234
Радиосвязь и телевизионная связь на Луне 236
Лаборатории на Селене 239
Необычная обсерватории 241
Проблема Солнце - Земля 244
Исследование с Луны других планет 248
Тайна слабосветящихся объектов 250
Существует ли Трансплутон? 252
За границей Солнечной системы 253
Рентгеновский телескоп на Луне 255
Космический радиоинтерферометр 258
О теории относительности 259
Световой рычаг 263
Лазерные мосты 267
На встречу с инопланетными цивилизациями 275
На каких планетах может возникнуть жизнь? 279
Возможные типы внеземных цивилизаций 281
Пути контакта с инопланетными цивилизациями 282
Таинственные радиосигналы далекой звезды 284
Межзвездный зонд 285
Варваров Николай Александрович
СЕДЬМОЙ КОНТИНЕНТ
М., «Московский рабочий», 1973
288 с. 52 (иллюстраций?)
Редактор И. Геника. Художник Н. Игнатьев. Художественный редактор Г. Комзолова. Технический редактор Г. Смирнова. Корректор Т. Левченко.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Московский рабочий». Москва, ул. Куйбышева, 21.
Л82306. Подписано к печати 22/ХII-1972 г. Формат бумаги 84х108 1/32. Бум л. 4,5. Печ. л. 15,12. Уч.-изд. л. 15,23. Тираж 45000. Тем. план 1972 г. №92. Цена 71 коп. Зак. 1617.
Ордена Ленина типография «Красный пролетарий». Москва, Краснопролетарская, 16,
к началу
назад