Луна и ее особенности

Луна на небе воспринимается нами как нечто привычное и обыденное, а между тем этот космический объект таит в себе массу загадок. Главная тайна спутника Земли — его происхождение.

До того как первые космические аппараты достигли спутника нашей планеты, у исследователей имелись три основные гипотезы возникновения Луны. Первую ученые в шутку называли «дочерней». Ее выдвинул английский астроном и математик Джордж Дарвин (1845-1912), сын автора теории эволюции видов Чарльза Дарвина. Он считал, что Луна — это кусочек Земли, который отделился от нее в те времена, когда она еще вращалась с очень высокой скоростью. Причина отделения — мощная центробежная сила, возникшая в результате стремительного вращения. Этот кусочек остался в пределах притяжения Земли и со временем приобрел круглую форму. Какой же из районов нашей планеты потерял часть себя? Джордж Дарвин считал, что Луна оторвалась из того места, где впоследствии возник Тихий океан.

Вторую теорию остроумные астрономы называют «супружеской». Она заключается в том, что Луна — это самостоятельная планета, образовавшаяся в Солнечной системе. Получилось так, что ее орбита пересеклась с земной, и Земля, как более тяжелая, притянула ее к себе и оставила вращаться вокруг себя.

Третья теория, «сестринская», гласит, что Земля и ее спутник образовались одновременно, из одного пылевого облака. Луна стала спутником из-за меньшей массы.

После того как лунные экспедиции доставили на Землю образцы грунта, астрономы затаили дыхание: какая же из теорий окажется верной? Результаты оказались обескураживающими: ни одна из теорий полностью не объясняла полученные данные. И тогда была выдвинута гипотеза гигантского столкновения . Ее авторы предположили, что Луна образовалась в результате столкновения с Землей планеты большего размера (ее назвали Тейя). Удар произошел по касательной, в итоге на околоземную орбиту была выброшена часть вещества Земли и Тейи. Из них постепенно сформировалась Луна.

В настоящее время самой правдоподобной считается последняя теория, но и у нее есть противники. Возможно, впоследствии появятся новые гипотезы, а может, мы никогда точно не узнаем, откуда же у нашей планеты появился спутник.

Лунные тайны: история исследования спутника Земли

Как образовалась Луна?

Согласно теории «гигантского столкновения» (или модели ударного формирования), у молодой Земли не было Луны. В какой-то момент в ранней истории нашей планеты гипотетическая планета Тейя, размером с Марс или чуть более, столкнулась с Землей. Мгновенно большая часть массы Тейи и значительная часть Земли испарились. Облако поднялось на высоту более 22 000 км, где сконденсировалось в неисчислимые твердые частицы, которые, вращаясь вокруг Земли, собирались во все более крупные объекты, и в итоге слились воедино в Луну.

Измеряя возраст образцов лунного грунта, мы знаем, что Луне около 4,6 миллиарда лет, или примерно столько же, сколько Земле.

Цифры и факты о Луне

Снимок в полнолуние, сделанный 10-22-2010 из Мэдисона, штат Алабама, США. Снято на телескопе Celestron 9.25 Шмидта-Кассегрена. Автор: Gregory H. Revera – собственная работа, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11901243

Вращение Луны — время, необходимое для вращения вокруг своей оси — занимает столько же времени, сколько и вращение вокруг орбиты Земли — около 27,3 суток. Это означает, что вращение Луны синхронизировано таким образом, что Луна постоянно повернута к нам одной и той же своей стороной. Обратная сторона Луны (или темная сторона) была сфотографирована только с космического аппарата.

Луна вращается вокруг Земли со средней скоростью 3700 километров в час.

Гравитационное притяжение Луны на Земле является основной причиной приливов и отливов океанских вод. Вращение Земли вызывает два прилива и два отлива каждый день.

Безвоздушная лунная поверхность нагревается на солнце до 117 градусов по Цельсию в течение двух недель (лунный день длится около месяца). Затем, в течение такого же периода, пространство находится в темноте. Темная сторона охлаждается до −169 градусов по Цельсию.

История изучения Луны

В январе 1959 года небольшой советский аппарат «Луна-1» стал первым космическим кораблем, достигшим второй космической скорости. Он же стал первым искусственным спутником Солнца. Хотя «Луна-1» не достигла поверхности Луны, как предполагалось, космический корабль пролетел на расстоянии около 6500 километров от нее. Его набор научного оборудования впервые показал, что на Луне нет магнитного поля.

Позже, в 1959 году, «Луна-2» стала первым космическим кораблем, который достиг поверхности Луны. Третья лунная миссия впоследствии сделала первые размытые снимки обратной стороны нашего спутника.

Первое изображение, переданное АМС «Луна-3», показывающее обратную сторону Луны

В 1966 году советский космический корабль «Луна-9» стал первым аппаратом, благополучно совершившим мягкую посадку на поверхности спутника. Небольшой корабль был снабжен научным и коммуникационным оборудованием и сфотографировал лунную панораму. «Луна-10» была запущена позднее в том же году и стала первым космическим кораблем, который успешно облетел Луну.

В 1961 году Джон Ф. Кеннеди обязал Соединенные Штаты высадить человека на Луну до завершения десятилетия. Программа «Аполлон» была разработана для безопасной отправки людей на Луну и обратно.

В 1966 и 1967 годах НАСА запустило пять миссий «Лунный орбитер», которые были предназначены для облета Луны и составления карты ее поверхности для подготовки к последующим посадкам с экипажем. Эти орбитальные аппараты сфотографировали около 99 процентов поверхности Луны и предоставили фотографии потенциальных мест высадки.

Снимок кратера Уэбб , «Лунар орбитер-1», август 1966 г.

20 июля 1969 года Нил Армстронг и Эдвин «Базз» Олдрин стали первыми людьми, ступившими на поверхность Луны, когда их посадочный аппарат «Аполлон-11» приземлился в Море Спокойствия. Весь мир запомнил слова Армстронга: «Один маленький шаг для человека и огромный скачок для человечества».

Услышать знаменитые слова можно на сайте NASA.

Эдвин Олдрин на поверхности Луны в 1969 году

«Аполлон-16» и «Аполлон-17» в 1972 году были последними двумя полетами на Луну с экипажем, а советский космический корабль «Луна-24» в 1976 году был последним приземлившимся на лунную поверхность до следующего столетия. Образцы, собранные во время этих лунных исследований, дали нам огромное количество знаний о геологии и образовании лунной поверхности.

Возвращение на Луну не стояло на переднем крае космических программ на протяжении десятилетий. По словам эксперта по космической политике Джона Логсдона, нет никаких научных причин возвращаться на Луну — миссии Аполлона уже собрали 382 килограмма лунных камней, некоторые из которых до сих пор не проанализированы.

Недавний и будущий статус исследования Луны

Недавние достижения в изучении Луны связаны с китайскими и израильскими космическими программами.

В 2013 году, спустя 37 лет после последнего успешного прилунения, китайский луноход Юйту достиг поверхности Луны.

В январе 2019 года китайский посадочный аппарат Chang’e-4 приземлился на противоположной стороне Луны, став первым космическим кораблем, который когда-либо сделал это.

Панорама посадочной площадки Чанъэ-4 на обратной стороне Луны 15 февраля 2019 года. Автор: CNSA, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=76915371

В апреле 2019 года израильский космический корабль «Берешит» облетел вокруг Луны, но потерпел крушение при попытке приземлиться. Несмотря на то, что он потерпел неудачу при посадке, его успешный запуск с частной ракеты SpaceX считается значительным достижением.

Если говорить о будущем лунных экспедиций, то Генеральный директор Amazon Джефф Безос и его космическая компания Blue Origin объявили о проекте создания лунной базы, где люди будут работать и жить. Ракета New Glenn может совершить свой первый полет уже в 2021 году, поддерживая цель НАСА по возвращению человека на Луну к 2024 году.

Происхождение.

В конце 19 в. Дж.Дарвин предположил, что Луна оторвалась от Земли в результате резонанса колебаний. Если объединить Луну и Землю, то период вращения составил бы примерно 4 ч. Период естественных колебаний Земли, по мнению ученых 19 в., был около 2 ч. Это указывает, что мог возникнуть резонанс, приводящий к усилению колебаний до такой степени, что от единого тела мог оторваться небольшой «кусочек» – Луна. Но теперь известно, что период собственных колебаний Земли короче 1 ч. Кроме того, затухание колебаний, вызванное сильным внутренним трением, не позволило бы им достичь большой амплитуды. К тому же только что отделившаяся Луна должна была бы обращаться по орбите быстрее Земли, и приливные силы вернули бы ее обратно.

Теорию отделения Луны пытались недавно возродить идеей о том, что момент инерции Земли уменьшился, когда ее вещество разделилось на металлическое ядро и силикатную мантию; от этого возросла скорость вращения, что и заставило часть вещества оторваться в качестве самостоятельного тела. Но все равно для этого требуется высокая начальная скорость вращения Земли, чтобы гигантская энергия вращения затем диссипировала в тепло земных недр, а большая часть момента была бы унесена из системы Земля – Луна, например, путем выброса значительной массы (что выглядит уж совсем невероятно). Итак, проблемы, связанные с сохранением энергии и момента импульса, делают теорию отделения Луны от Земли маловероятной. Последние химические данные, особенно в отношении железа и редкоземельных элементов, показали, что состав лунной поверхности существенно отличается от земной. Поэтому теорию отделения сейчас не рассматривают всерьез.

Ряд других теорий происхождения Луны основан на том, что она могла образоваться при объединении мелких частиц, движущихся по орбите вокруг первобытной Земли. В одной из моделей Земля и Луна формируются из единого газового облака как двойная планета. Но это маловероятно, поскольку по химическому составу Луна отличается от Земли, имеющей большое железо-никелевое ядро. Потерять же большую массу газа такая крупная планета, как Земля, не могла.

Другая теория двойной планеты утверждает, что Луна образовалась из облака мелких твердых частиц, обращавшихся вокруг Земли на последней стадии ее формирования. Предполагается, что эти частицы отличались от Земли по химическому составу и содержали больше воды или меньше тяжелых элементов, таких, как никель и железо. Но если было так, то система Земля – Луна должна была бы иметь больший удельный момент импульса, чем это следует из соотношения между массой и моментом для планет. По оценкам, Луна могла бы сформироваться из таких частиц за очень короткое время – примерно за 80 лет. В этом случае Луна была бы горячей, вопреки указанным выше фактам.

Теория захвата Луны популярна среди ученых, хотя на первый взгляд она кажется маловероятной, поскольку при захвате Луна должна была бы потерять большую энергию, равную Gm₁m₂/2c, где m₁ и m₂ – массы Земли и Луны, G – гравитационная постоянная, c – большая полуось орбиты (среднее расстояние между Землей и Луной). Предлагались различные механизмы захвата. В одном из них Луна была захвачена на обратную орбиту (т.е. обращалась вокруг Земли в направлении, противоположном движению большинства тел Солнечной системы); затем приливное влияние Земли уменьшило лунную орбиту и перевернуло ее плоскость, т.е. сначала орбита стала полярной, а затем прямой, с привычным нам направлением обращения; после этого размер орбиты начал возрастать. В точке наибольшего сближения с Землей расстояние до Луны было 2,9 земных радиуса. В этом случае потеря энергии должна составить 10 килоджоулей на каждый грамм лунного вещества, что примерно вчетверо больше энергии, необходимой для полного плавления Луны. Поэтому такую теорию трудно принять.

Согласно другой теории, сначала было захвачено несколько небольших лун, а позже из них сформировалась современная Луна. Только после этого приливные эффекты стали играть заметную роль, поэтому маленькие спутники могли находиться вблизи Земли длительное время. Разрушительный захват, в результате которого Луну буквально разорвало, когда она прошла вблизи Земли, мог бы объяснить потерю ею первоначального железа. С другой стороны, захват при столкновении мог бы объяснить сравнительно позднюю бомбардировку Луны. При этом избыток энергии был израсходован при столкновениях с малыми лунами, а бомбардировка происходила, когда Луна, удаляясь от Земли, встречалась с оставшимися спутниками.

По имеющимся данным можно предположить, что Земля сформировалась с периодом вращения около 10 ч, что дало ей большой удельный момент импульса. Одна Луна (или несколько лун) была захвачена Землей; эта Луна (или луны), обращаясь вокруг Земли, присоединяла к себе прочие тела, а некоторые выбрасывала с околоземной орбиты на околосолнечную. При этом Луна обращалась в прямом направлении по орбите с главной полуосью около 40 земных радиусов, которая не лежала в плоскости экватора Земли. Быстрое удаление Луны от Земли должно было начаться лишь в недавнем геологическом прошлом, когда океаны и континентальный шельф стали достаточно мощными, чтобы усилить приливное трение.

Теории захвата предполагают, что луноподобные объекты сформировались где-то до их захвата. Вполне вероятно, что этому способствовало наличие различных газов. Газовым телам свойственна гравитационная неустойчивость; это является главной причиной формирования звезд (см. ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС). Этот же процесс мог способствовать аккумуляции твердых частиц в протопланетном облаке вокруг Солнца. Позже энергия излучения и вращающееся магнитное поле вытеснили газ из облака, а твердые тела остались на гелиоцентрических орбитах.

Луна – весьма необычный спутник. Только Харон – спутник Плутона, открытый в 1978, еще более массивен по отношению к своей планете. Если бы теории отрыва от Земли или теории двойной планеты были верны, то выглядело бы странным, почему Венера, столь похожая на Землю по массе и расстоянию от Солнца, не имеет спутника. Более того, Венера вращается в обратную сторону. Если бы у Меркурия, Венеры, Земли и Марса имелись большие спутники, двигающихся в прямом направлении, то Галилей и все ученые после него согласились бы, что эти спутники оторвались от своих планет или образовались вместе с ними. Странный наклон осей вращения многих планет и обратное вращение Венеры дают повод предполагать, что процесс их формирования протекал в присутствии многих крупных объектов типа Луны, и они, сталкиваясь, образовали планеты. И только Земля смогла захватить один из этих объектов, который стал нашей прекрасной Луной. А Венера, испытав столкновение с объектом, движущимся в обратном направлении, сама начала вращаться в том же направлении.