НаукаВалентин Иванов / 12 април 2019

Обратната страна на Луната

12 април е Международен ден на авиацията и космонавтиката

Цялата статия е публикувана в брой 2/2019 г. на Списание 8

Обратната страна на Луната

Какво знаем за месечината досега

В самото начало на 2019 година китайската станция „Чанг-4“ достави на повърхността на Луната неголям луноход. За пръв път кацането беше осъществено върху обратната страна на Луната, която винаги е невидима от Земята. На 14 септември 1959 г. автоматичната станция „Луна-2“ поставя началото на лунните изследвания in situ (на място). Предишната забележителна стъпка в изучаването на земната спътница принадлежи на Галилео, който през 1609 г. за пръв път поглежда към нея през телескоп. Какво знаем за нашата космическа съседка днес, как сме го научили и какви са големите въпроси, на които астрономията и геологията все още търсят отговори?

Луната е най-близкото небесно тяло до Земята, второто по яркост след Слънцето. Но ако погледнем към Слънцето без подходящи очила или задимено стъкло, ще бъдем заслепени; ако погледнем към пълната Луна през някоя ясна нощ, тя само ще разпали любопитството ни.

Най-близката ни спътница е едновременно обект на човешкото познание, инструмент за постигане на това познание, а през последния половин век тя влезе в ролята на символ за самоутвърждаване в мащаба на държави и политически системи.

Дела и документи

Ако трябва да опростим до крайност, тя е голям каменен къс, който обикаля около Земята и свети с отразена от Слънцето светлина, както правилно са предполагали древните вавилонци и гърци. Преди Галилео да открие четирите най-големи спътника на Юпитер през 1610 година, Луната притежава уникален статут—тя е единственото тяло, което не се движи около Слънцето, подобно на планетите — проблем, известен като забравения днес Коперникански парадокс. С откриването на спътника на Плутон - Харон, от американския астроном Джеймс Кристи през 1978 г. Луната се лиши и от званието спътник с най-висока относителна маса (отношението на масите на Луна:Земя е 1:81, а на Харон:Плутон – само 1:8,5).

Приливното взаимодействие в течение на милиарди години е изравнило периода на собствено въртене на Луната с този на движението є около Земята (27,3 дни) и затова винаги виждаме едната є страна. Лунната орбита е почти кръгова, със среден радиус около 384 000 км—разстояние, което светлината изминава приблизително за 1,3 секунди. Средният радиус на самата Луна е около 1736 км — близо 3,7 пъти по-малък от земния. Тези параметри са измерени с ограничени средства и много изобретателност от Аристарх Самоски през III в. пр.Хр. Наистина, с не много висока точност. Четиристотин години по-късно по метода на паралакса Хипарх получава стойности, близки до съвременните.

Масата на Луната в килограми се изразява с числото седем, следвано от двадесет и две нули. Пръв я изчислява по височината на приливите Исак Нютон преди повече от триста години. Неговият резултат е два пъти по-голям от съвременната стойност — дан на неточните измервания на приливите и на неизвестния тогава факт, че височината им зависи от земния релеф. През 1812 г. френският математик Пиер-Симон Лаплас по същия метод получава стойности, сравними с днешните.

Въоръжени с радиуса и масата на Луната, астрономите са изчислили нейната плътност — параметър, който позволява далеч преди началото на космическата ера да се направят изводи за материала, от който се състои тя. Съвременната астрофизика използва същия подход за определяне вътрешната структура на планети в системите на звезди на стотици светлинни години от нас. Нютон едва отделя няколко реда в своите „Принципи“ на този забележителен резултат, но използва движението на Луната, за да провери идеята, че гравитацията отслабва с квадрата на разстоянието — факт, който потвърждава ролята на Луната като инструмент на човешкото познание.

Как се е образувала?

Лунната плътност подсказва отговора на този въпрос — тя е около 3,3 грама на кубичен сантиметър, а Земята е около 1,7 пъти по-плътна, което показва, че двете тела имат различен химичен състав. Лунната плътност е сравнима с тази на някои метеорити — наблюдение, подкрепящо хипотезата, че Луната е тяло, „заловено“ от Земята подобно на ретроградните спътници на някои от планетите гиганти в Слънчевата система.

Но има и други възможности. През 1898 г. английският астроном Джордж Дарвин, син на Чарлз Дарвин, предполага, че Луната е образувана от отломки, откъснати от Земята в резултат на центробежни сили. По-късни изчисления показват, че центробежните сили не са достатъчно „силни“, и през 1946 г. канадският геолог Реджиналд Дейли предлага алтернативен механизъм: удар между Земята и друго тяло с размерите на Марс, условно наречено Тея, случил се не повече от сто милиона години след образуването на Слънчевата система (според последните изследвания — преди около 4,5 милиарда години). Късове от двете тела, изхвърлени в земна орбита, постепенно се слели и са образували Луната. В подкрепа на тази хипотеза има много доказателства: от еднаквия изотопен състав на двете тела до сходната ориентация на земната ос и на оста на лунната орбита. По-ниската плътност на Луната също подкрепя тази хипотеза, защото отломки, състоящи се от по-леки елементи, е по-лесно да бъдат изхвърлени при удара между Земята и Тея. Подобни процеси — но в по-голям мащаб — днес се наблюдават около някои млади звезди: те са обкръжени от дискове от отломки, в които протича процес на планетообразуване, както в ранната история на Слънчевата система.

Каква е отвътре?

Вътрешната структура на Луната е сходна със земната и включва 200-300-километрово желязно ядро, обкръжено от мантия, и 50-километрова кора. Ядрото е по-малко от 1/4 от лунния радиус вместо обичайните за повечето тела в Слънчевата система 1/3-1/2, което води до по-малката средна плътност на Луната. На Луната почти отсъстват тектонични движения на континентални плочи, които да „плуват“ върху море от лава като на Земята. Лавата на Луната е ограничена до слой с дебелина само около 150 км, погребана над желязното ядро дълбоко под повърхността.
Самата повърхност е щедро поръсена с кратери, болшинството — резултат от метеорни удари, както предполага още през 1893 г. американският геолог Гроув Карл Гилберт. Тази хипотеза получава потвърждение през 60-те години на миналия век. Днес патрулни наблюдения с чувствителни видеокамери дори „виждат“ в реално време как се образуват нови кратери.
Кратерите позволяват да се „датира“ лунната повърхност по налагането им един върху друг—практически единственият механизъм за ерозия на лунната повърхност са метеорните удари, които образуват нови кратери върху старите. Тази идея заедно с наблюдения на млади звезди с дискове е довела до осъзнаването, че в историята на Слънчевата система преди около четири милиарда години е имало период на силна астероидна бомбардировка, предизвикана от промени в орбитите на големите планети. В хода на този процес те „смущават“ астероидния пояс и много астероиди навлизат във вътрешността на Слънчевата система, където се сблъскват с малките планети и Луната.

Има ли атмосфера?

Галилео пръв си задава този въпрос и насочва телескопа си към края на лунния диск, където слоевете на лунната атмосфера биха могли да се видят най-лесно — като на Земята, когато гледаме ниско над хоризонта. Вторият тест на великия италианец е да наблюдава покриване на звезди от Луната с идеята, че хипотетичната лунна атмосфера ще ги накара да премигват малко преди да се „скрият“ зад Луната — отново по аналогия с примигването на звездите под влияние на промените в плътността и оптичните свойства на земната атмосфера.
Отговорът е отрицателен — днес знаем, че Луната е обкръжена от силно разредена обвивка, практически неотличима от космическия вакуум. Ниската є плътност означава, че състоянието на лунната атмосфера не се управлява от същите физични процеси като на Земята: атомите в нея практически не се възбуждат и не излъчват за сметка на удари помежду си, което я прави толкова различна от земната атмосфера, че астрономите са измислили нов термин: екзосфера.

Лунната екзосфера има маса само десетина тона (за сравнение земната атмосфера тежи 5,2 x 1015 тона!) и не е стабилна – заради малката маса на Луната атомите, от които е съставена екзосферата, под въздействието на слънчевия вятър отлитат в открития Космос. Но те постоянно се заменят с нови атоми, „избити“ от повърхността под въздействие на същия слънчев вятър, на метеорни удари и на космически частици. Което разкрива любопитна възможност химичният състав на лунната повърхност да бъде изследван дистанционно чрез екзосферата. Почти едновременно през 1988 г. Ендрю Потър и Томас Морган (по това време работещи в НАСА) и група, водена от Ан Тайлър (тогава в Аризонския университет, Тюсън) регистрират емисионни линии на натрий и калций в спектри, получени от наземни телескопи. Днес, в резултат на по-съвършени наблюдения включително от космически обсерватории, са оценени количествата хелий, аргон, криптон, ксенон, титан, алуминий, магнезий и дори кислород в лунната почва. Последният елемент бе „видян“ за пръв път с помощта на немски инструмент, част от индийската станция „Чандраян-1“, от група, водена от Одри Форбургер от Университета в Берн през 2014 г...

Авторът е астроном в Европейската южна обсерватория. Известен е и с произведенията си в областта на научната фантастика. През 1992 г. се дипломира като магистър по физика със специализация по астрономия в Софийския университет. Защитава докторска дисертация в Аризонския университет, САЩ, през 2001 г., оттогава работи в Европейската южна обсерватория в Чили. Научните му интереси са насочени към звездни купове, кафяви джуджета, екзопланети и други.

Прочети цялата статия в брой 2/2019 г. на Списание 8
Купи броя от тук