Земля – космос – Луна

АСТРОНОМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Выход в космос открывает качественно новые горизонты для физиков и астрономов. Это объясняется, в первую очередь, отсутствием основной помехи наблюдениям нашей атмосферы, а также возможностью измерений и экспериментирования непосредственно в мировом пространстве и на небесных телах.

Атмосфера «мешает» исследователям двояко: во-первых, она пропускает лишь небольшую часть излучений, идущих на Землю извне; во-вторых, изображения, получаемые оптическими приборами, существенно ухудшаются из-за наличия в воздухе паров воды, твердых частиц, из-за турбулентности атмосферы, воздушных течений, термических искажений, свечения ночного неба и т. д. Все это заставляет астрономов и астрофизиков забираться со своими инструментами в горы или в места, окруженные лесом, где чище воздух.

Стремление получить более подробные изображения изучаемого внеземного объекта влечет за собой увеличение размеров телескопов (для повышения разрешающей способности), однако у больших объективов под действием собственного веса происходит искривление оптической оси, что нарушает их оптическое совершенство. Дальнейшее сколько-нибудь серьезное повышение качества изображения наземными приборами становится практически маловероятным, а увеличение диаметра современных объективов (свыше 6 метров) едва ли рационально.

Основным методом изучения внеземных объектов в современной наблюдательной науке является анализ излучений, приходящих от этих объектов, а также их радиолокация.

Атмосфера Земли почти полностью поглощает рентгеновскую и ультрафиолетовую части электромагнитного излучения (что защищает все живое от его губительного воздействия), длинноволновое Излучение и часть инфракрасного излучения. Остаются так называемые «окна» прозрачности атмосферы – в части радиодиапазона (длины волн от нескольких миллиметров до десятков метров) в инфракрасной области спектра и в видимой части спектра (улавливаемой нашим глазом на участке длин волн от 0,4 до 0,8 микрона).

Рис. 7. «Окна» прозрачности земной атмосферы (незаштрихованные участки)

Для наглядности картины поглощения земной атмосферой приходящих излучений приведен рис. 7; на нем показаны (незаштрихованные участки) «окна» прозрачности атмосферы.

Космическое и корпускулярное солнечное излучения в значительной мере искажаются магнитным полем Земли и рассеиваются атмосферой, в которой образуются вторичные излучения.

Гамма-излучение приходит к Земле как непосредственно из космоса, так и из нашей атмосферы (где оно образуется в результате взаимодействия космического излучения и частиц земной атмосферы), их разделение – в рамках лишь наземных измерений – невозможно.

Рентгеновское и ультрафиолетовое излучения оказывают существенное влияние на процессы в земной атмосфере и на Земле, но с земной поверхности их изучать невозможно – поэтому становится понятным желание ученых поднять свои инструменты как можно выше над поверхностью Земли; в последние годы они это осуществили с помощью высотных зондов, ракет и спутников – появилась внеатмосферная астрономия. Одновременно появилась новая возможность изучения строения Солнца и его деятельности, а также удаленных космических образований в коротковолновой части спектра, поглощаемой земной атмосферой.

Именно в ультрафиолетовой части спектра находятся самые яркие линии почти всех элементов, максимум излучения горячих звезд с температурой поверхности свыше 20 тысяч градусов и, по-видимому, межгалактического газа.

Некоторые спутники Земли (в том числе «Космос-210», оснащенный восьмью телескопами, спутники серии «Интеркосмос») представляют собой астрономические обсерватории, которые исследуют окружающий мир аппаратурой, поднятой в высшие слои атмосферы, и получают информацию, недоступную наземным приборам.

Однако и спутниковая аппаратура не может дать высококачественного спектра или изображения, так как сказывается влияние атмосферы Земли и ее радиационных поясов, невозможна точная стабилизация инструмента относительно наблюдаемого объекта, который к тому же заслоняется Землей на части орбиты. Кроме того, меняется температура спутника (и его аппаратуры), он требует расходования вещества для его стабилизации, особенно нерационального при длительном функционировании приборов.

Перенесение оптических и регистрационных приборов на Луну позволит преодолеть последние серьезные препятствия и получить научную базу, удовлетворяющую самым строгим требованиям и условиям исследования внеземных объектов.

Следует отметить, что условия лунной ночи на обратной стороне Луны особенно благоприятны для изучения изображений и спектров (кроме Земли и Солнца), а также для постановки физических экспериментов, так как там полностью отсутствует не только прямое, но и рассеянное электромагнитное и корпускулярное излучения (вследствие того, что Луна не имеет атмосферы и заметного магнитного поля).

Кроме того, на Луне повышается качество наблюдений и упрощается их техническая сторона благодаря медленному вращению нашего спутника вокруг своей оси; соответственно движение светил по небосводу имеет скорость, почти в 30 раз меньшую, чем для Земли (сама же Земля практически совсем не уходит из поля зрения оптических приборов, расположенных на видимой стороне Луны).

Телескоп с диаметром зеркала всего лишь в один метр, установленный на Луне/, даст такую высокую четкость изображений, которая недоступна лучшим наземным инструментам: ведь там нет принципиальных затруднений в использовании телескопов диаметром до 30 метров, так как на Луне сила тяжести в 6 раз меньше земной, отсутствуют ветровые нагрузки, нет пыли и газовой оболочки (в поле зрения телескопа).

Однако оптические наблюдения на Луне потребуют и преодоления некоторых специфических трудностей, связанных с существенным изменением температуры в течение лунного дня, ускоренным износом внешних поверхностей приборов из-за воздействия метеоритных и ядерных частиц и т. д.

Изучение Земли и планет с лунной поверхности принесет новую обильную информацию.

Избавившись от помех земной атмосферы, можно будет, наконец, вполне надежно определить состав атмосфер планет; выяснить, что представляет собой радиоизлучение Юпитера; убедиться (или разувериться) в наличии твердой поверхности у Сатурна и Юпитера. Будут подробно исследованы поверхности планет, уточнена их температура, проведено их картографирование, изучены облачные образования в атмосферах. Появится возможность детального обследования астероидов и спутников планет, уточнения их формы, размеров, масс.

Очень интересен вопрос о динамических процессах на Юпитере – не он ли является отцом комет? Можно надеяться получить много новых сведений о Меркурии, – ведь его наблюдения наземными средствами особенно затруднены из-за близости к Солнцу на небосводе. С лунной поверхности удастся определить наличие пылевых облаков у планет, в том числе и у Земли; будет получена картина распределения мелких тел в мировом пространстве. Наконец, лунные телескопы дадут возможность обнаружить крупные планеты у ряда ближайших звезд.

Весь этот богатейший материал – вместе с дополнительными сведениями о Луне и новыми измерениями и снимками, полученными с помощью автоматических межпланетных станций – позволит лучше понять процесс образования Солнечной системы и дальнейшую эволюцию небесных тел, ее составляющих.

В первую очередь нас, конечно, интересует будущее Земли: возможны ли в ней бурные процессы, приводящие к важным для человека изменениям? Как быстро может измениться относительно спокойная и размеренная жизнь Солнца?

Рис. 8. Вид короны Солнца во время солнечного затмения 19 июня 1936 года (телескопический снимок одного из авторов настоящей книги)

Исследование Солнца играет особую роль в астрофизике – ибо это единственная близко расположенная к нам звезда, – его существование решающим образом определяет почти все процессы на Земле и даже саму возможность наличия жизни в его окрестностях.

С выходом за пределы земной атмосферы (точнее – используя преимущества лунных обсерваторий) можно будет успешно изучать на всех длинах волн тонкую структуру солнечных оболочек. Подбирая соответствующие излучения, для которых «прозрачны» внешние слои Солнца, можно будет все глубже проникать в его недра, определяя их состав и степень участия в бурных солнечных явлениях.

Особенно благоприятным будет исследование высших слоев солнечной атмосферы: хромосферы (расположенной над яркой видимой поверхностью – фотосферой) и солнечной короны (наблюдаемой непосредственно лишь во время полных солнечных затмений, когда яркость неба над земной поверхностью уменьшается в миллионы раз). Вследствие отсутствия на Луне эффекта рассеяния света газовой оболочкой – солнечная корона будет всегда отлично видна во всей своей красе (рис. 8).

Именно в солнечной короне формируются те потоки электронов, ядер атомов и электромагнитных излучений, воздействие которых на земную атмосферу определяет основные геофизические эффекты (магнитные бури, ионизацию и т. п.).

Современное понимание взаимосвязи и обусловленности явлений, происходящих в солнечной короне, нуждается еще в очень серьезном совершенствовании, что связано с отсутствием достаточного экспериментального материала.

Солнечные вспышки, возникающие в хромосфере, характеризующие один из самых бурных процессов на Солнце и обладающие сильным воздействием на экипажи космических кораблей и земную биосферу, представляют собой важнейшее явление, подлежащее глубокому изучению.

Появление солнечных вспышек отражает, возможно, сущность глубинной деятельности Солнца и, по-видимому, вообще всех звезд. Так, академик В. А. Амбарцумян предполагает, что солнечные вспышки есть результат перехода сверхплотного «дозвездного» вещества (поступающего к поверхности из центральных частей) в обычное нагретое состояние газа; на отдельных звездах эти вспышки приобретают характер взрывов, приводящих к космическим катастрофам. Некоторые астрономы и физики считают, что к солнечным вспышкам может привести сжатие движущегося ионизированного газа в магнитном поле или быстрая смена структуры магнитного поля над активной областью.

Изучение звезд и галактических образований посредством рентгеновского и гамма-излучений, а также в ультрафиолетовом и радиодиапазонах существенно приблизит нас к решению фундаментальных проблем, связанных с природой тяготения, антиматерии, с новыми формами энергии – не известными пока нам, – с распространением и эволюцией вещества в космических масштабах и т. д.

С помощью заатмосферных измерений обнаружено уже более 50 источников рентгеновского излучения и радиоволн (пульсаров); эти источники являются нейтронными звездами, предсказанными теоретически, их плотность достигает величины 1018 килограммов на кубический метр.

Если удастся решить задачу получения изображения в рентгеновских лучах (еще не преодолены некоторые технические трудности их фокусировки), то выигрыш в разрешающей способности по сравнению с оптическими приборами будет примерно в 1000 раз – пропорционально отношению длин волн.

Применение гамма-астрономии дает новое мощное орудие в руки ученых, так как в отличие от заряженных частиц, входящих в состав космических лучей (атомных ядер, электронов и альфа-частиц), гамма-лучи не отклоняются магнитными полями в межпланетном пространстве.

Гамма-кванты, т. е. фотоны с энергией более 50 миллионов электронвольт, являются электрически нейтральными; поэтому они распространяются по прямым линиям и указывают направление, в котором они образовались.

Однако пока что не установлено, где именно образуется гамма-излучение: в точечном источнике или в обширной области пространства. Указанный вопрос требует существенного повышения точности регистрации направления приходящих гамма-квантов; эту задачу проще всего, очевидно, решить с помощью приборов, расположенных на лунной поверхности.

Расширение возможностей регистрации первичного гамма-излучения весьма важно для проникновения в сущность строения материи, ибо гамма-кванты образуются, в частности, в результате аннигиляции вещества и антивещества.

Наблюдения в ультрафиолетовой части спектра, ставшие доступными с выходом за пределы Земли, позволяют распространить измерения на такие атомы (в различных состояниях ионизации), как атомы азота, кислорода, углерода, железа, магния и молекулярный водород. Это даст возможность определить химический состав, плотность, степень ионизации и распределения скоростей межзвездного газа.

Исследование космических лучей, состоящих в основном из протонов и ядер ряда элементов, является одной из главных задач астрофизики.

Некоторые космические лучи разгоняются в природных условиях до энергий 10й миллиардов электрон-вольт, в то же время современные уникальные ускорители протонов разгоняют частицы до энергий, меньших 102 миллиардров электронвольт.

Создание сложнейших ускорителей «элементарных» частиц в земных условиях – труднейшая научно-техническая задача; легко представить, как упростятся указанные исследования с выходом в космос, на базы в вакууме, на стационарные лунные установки.

Естественно, что исследование частиц космических лучей с энергией, которую мы не в состоянии искусственно сообщить микрочастицам, может привести к открытию новых фундаментальных законов взаимодействия элементарных частиц.

Как известно, оборудование для регистрации частиц высоких энергий и их воздействия на вещество требует громоздких сооружений, так как необходима значительная масса для поглощения потока вторичных частиц, порожденных космическими лучами.

В связи с этим была запущена серия тяжелых научных станций типа «Протон», перед которыми, в частности, была поставлена задача обнаружения гипотетических элементарных частиц «кварков» (имеющих заряд втрое меньше, чем у электрона); поиски этих величин на ускорителях и с помощью космических аппаратов пока остаются безрезультатными.

Создание научных баз с массивной аппаратурой на Луне для изучения взаимодействия частиц высоких энергий приведет, безусловно, к существенно большим успехам, чем спутниковые исследования. На этих же базах может быть выполнен изотопный анализ химических элементов лунных пород, который раскроет историю космических лучей за последние миллионы лет: ведь лунная поверхность в отличие от земной (окруженной мощной атмосферой) доступна для непосредственного воздействия первичного космического излучения, оставляющего свои «следы» в грунте.

Изучение космических лучей более успешно начало продвигаться в последние 10 – 15 лет, после того как было установлено, что основная часть космического радиоизлучения генерируется космическими лучами, а следовательно, для их исследования можно применять и радиотелескопы.

Вопрос о природе и месте возникновения космических лучей еще не решен современной наукой; наиболее вероятно, что космические лучи образуются в основном в пределах нашей Галактики и не покидают ее.

Как установлено измерениями, космические лучи подходят к Земле равномерно, а также образуются при солнечных вспышках; однако их мощность не может быть объяснена генерированием лишь в звездах Галактики. 6 связи с этим некоторые астрономы и физики придерживаются мнения, что источниками космических лучей являются сверхновые и новые звезды (появляющиеся через несколько десятилетий).

Сверхновые звезды – эт.», очевидно, одна из форм незвездной материи, ибо они обладают колоссальной массой, энергией и гравитационным полем. Если в них происходит выделение энергии, отличающейся от обычной звездной (термоядерного процесса), то исключительно важно понять это явление и попытаться его использовать для энергетических нужд.

Эволюция видимой части Вселенной, отражающая сложное взаимодействие космических процессов, представляет собой одну из важнейших проблем современной науки. Как известно, одним из проявлений этой эволюции является расширение Вселенной, выражающееся в разбегании галактик, что фиксируется при посредстве так называемого красного смещения (чем больше скорость удаления галактики относительно точки наблюдения – тем больше смещены к красной части спектра линии в спектрах галактик).

Наблюдения показывают, что скорости удаления галактических образований примерно пропорциональны их расстоянию от нас. Но как происходит расширение мира – равномерно, ускоренно или замедленно? На эти вопросы поможет ответить измерение лучевых скоростей галактик, удаленных от нас на расстояния порядка десяти миллиардов световых лет. К сожалению, слабого света далеких галактик (расположенных на удалении в несколько миллиардов световых лет) не хватает для фотографирования спектра при экспозиции даже в десятки часов – при этом начинают сказываться помехи нашей атмосферы.

Наблюдения с лунных астрономических обсерваторий внесут важный вклад в работу по определению динамических характеристик видимого мира; а это, в свою очередь, существенно поможет теоретикам в решении проблемы происхождения, строения и эволюции Вселенной. Для решения указанной проблемы чрезвычайно важно также определить плотность межгалактического газа (в котором, вероятно, сосредоточена основная масса вещества Вселенной), а эта задача может быть решена исследованием ультрафиолетовой и рентгеновской частей спектра, которые регистрируются лишь заатмосферными инструментами.

Согласно выводам из космологических теорий при плотности межгалактического газа свыше 10 атомов на кубический метр Вселенная – через значительный промежуток времени – начнет сжиматься, при меньшей плотности – Вселенной суждено продолжать расширение неограниченно.

Овладение энергией термоядерного процесса является одной из самых актуальных и грандиозных научно-технических проблем.

Экспериментирование в этой области на Земле крайне затруднено, так как требуется создать плазму с температурой в миллионы градусов, стабилизированную в ограниченном объеме. По мере увеличения наших энергетических возможностей на Луне эксперименты с высокотемпературной плазмой в условиях вакуума могут быть проведены более успешно, чем на Земле.

Кроме того, необычайно благоприятные условия астрофизических исследований Солниа и звезд с поверхности Луны позволят глубоко проникнуть в тайны процессов, происходящих в недрах звезд и приводящих к превращению водорода в гелий с выделением огромной энергии.

Все это позволит нам научиться управлять термоядерной реакцией и поставить энергию термоядерного синтеза на службу человеку в ближайшие десятилетия, т. е. задолго до того, как будут исчерпаны запасы органического топлива и сырья для атомного распада.

Физика твердого тела может получить в лунных условиях своеобразное и плодотворное развитие.

Только в последние годы мы начинаем понимать, что природные материалы могут приобрести совершенно новые свойства после воздействия космических факторов; к последним относятся вакуум, радиационное облучение, сверхнизкие температуры и т. д. Физические лаборатории на Луне дадут возможность глубоко понять многие природные явления, что позволит использовать их в целях получения материалов с заданными свойствами и повышения эффективности технологических процессов для нужд промышленности, энергетики и науки.

Мы здесь не рассмотрели ряд физических и астрономических проблем, которые, может быть, и будут решаться на Луне, но пока еще не ясно, какие это даст принципиальные преимущества в сравнении с наземными исследованиями (например, применение нейтринной астрономии и т. д.).