Лунная вода: происхождение сокровища

Визуализация кратера Шеклтон на лунном полюсе, обращенная к Земле (сторона Луны находится справа). Иллюстрация: Ernie Wright, NASA's Scientific Visualization Studio, svs.gsfc.nasa.gov

От морей до кратеров

Еще до своего первого знакомства с Луной люди невольно обратили внимание на ее предполагаемые водные ресурсы. Обширные темные участки Луны наши предки называли «морями», видя в них сходство с земными водными просторами. Но продвинутые телескопы показали, что эти лавовые поля не имеют ничего общего с водной гладью – а название осталось.

До высадки «Аполлонов» было принято считать Селену совсем безводной. Но сейчас история делает новый круг – человечество снова ищет лунную воду, теперь уже опираясь на большой научный багаж и куда более совершенные приборы наблюдения.

Во второй половине 2020-х NASA планирует вернуться на Луну. Причем не для того, чтобы воткнуть флаг и взять несколько килограммов грунта с собой. Предполагается основать полноценную базу, где можно долго жить и проводить углубленные исследования.

Главным ресурсом для таких баз станет вода. Собственно, от ее наличия зависит и сама их возможность. Возить воду на Луну будет крайне дорого, обходиться без нее – невозможно. Она нужна для выращивания растений, обеспечения питьем и воздухом экипажа и даже выработки водорода в качестве ракетного топлива.

Долгое время убедительных доказательств наличия на Селене воды не было. Своего рода прорыв был сделан благодаря индийскому зонду Chandrayaan-1 и американскому LRO. Их наблюдения – отражение радиоволн от некоторых областей – показали, что водяной лед на Луне есть. И распределен он очень неравномерно.

Почти весь этот лед сосредоточен в районе полюсов. Это очень удобное место для хранения чего-либо в глубокой заморозке. Угол наклона оси вращения Луны едва превышает полтора градуса, это примерно в 15 раз меньше земного. Значит, во множестве кратеров около полюсов есть места, которые никогда Солнцем не освещаются. Там-то и хранится нетронутым водяной лед. Именно поэтому и Китай, и США с партнерами нацелены на строительство баз возле Южного полюса Луны.

«Астероид клаб»

Самой простой и очевидной гипотезой происхождения воды на Луне может считаться кометно-астероидная. Это вообще очень популярный подход. Если есть вопросы о том, откуда что-то появилось на космическом теле, достаточно предположить, что это вещество принесено из глубин космоса астероидами или кометами.

На первый взгляд, все логично: на раннем этапе развития Солнечной системы внутренняя ее часть то и дело бомбардировалась астероидами и кометами, которые, как сейчас хорошо известно, в значительной степени состоят из водного льда. Часть воды, попавшей на Луну, безусловно, улетучится, но, пока этого не случилось, некоторая ее доля сконденсируется в приполярных кратерах, где есть вечная тень.

Однако у этой гипотезы есть несколько существенных недостатков. Первый заключается в том, что у Луны относительно слабая гравитация. Любой удар достаточно крупной кометы или астероида приводил бы к выбросу материала, значительная часть которого просто улетела бы в космос. Более 90 процентов материала в таком случае попросту улетучивалось бы. Необходимо слишком много комет и астероидов, чтобы при таком «низком КПД» обеспечить Луну водой. Второй недостаток отчасти перекликается с первым. Рядом с Луной есть более «привлекательная» во всех смыслах цель – Земля. Как Юпитер является пылесосом (или громоотводом?) для множества непрошеных гостей из внешней части Солнечной системы благодаря своей гравитации и размерам, так и Земля оттягивает от Луны существенную часть пролетающих мимо объектов. И, наконец, третий недостаток, который уже исходит не из умозрительных расчетов и предположений, а из конкретных вычислений. На выручку приходит изотопный анализ. Для изучения происхождения воды часто используется анализ соотношения в ней обычных атомов водорода (протия) и дейтерия, так называемого тяжелого водорода, который имеет в ядре помимо протона еще и нейтрон. В кометной воде прослеживается высокое соотношение дейтерия к обычному водороду. На Луне оно гораздо ниже – ближе к земному. Так что изотопную проверку эта гипотеза не прошла. Как минимум, она не может считаться основной. Солнце как источник… воды Но значительно раньше кометно-астероидной версии происхождения лунной воды появилась солнечная. Может показаться парадоксальным, но раскаляющее лунную поверхность до +130 Солнце может давать воду. Солнечный ветер, состоящий из ядер водорода и гелия, ежесекундно бомбардирует поверхность Луны уже миллиарды лет подряд. Среди минералов, ее составляющих, немало тех, что содержат кислород. С ним ионы водорода и реагируют, образуя гидроксильные группы (–ОН). Схема, показывающая поток заряженных ионов водорода, переносимых от Солнца солнечным ветром. Один из возможных сценариев образования местной воды таков: в дневное время, когда лунная поверхность подвергается воздействию солнечного ветра, ионы водорода высвобождают кислород из лунных минералов с образованием OH и H2O, которые затем лишь слабо удерживаются лунным реголитом. При высоких температурах (красно-желтых) больше молекул высвобождается, чем адсорбируется. При понижении температуры (зелено-голубой цвет) OH и H2O напротив накапливаются. epoxi.astro.umd.edu Эти группы не стоит путать с водяным льдом, хотя астрономы и планетологи часто в исследованиях говорят об обнаружении и распределении воды (не обязательно применительно к Луне, а, например, и к экзопланетам), называют «водой» именно соединение OH в составе какого-либо минерала. Причина тут в особенности некоторых существующих методов спектрального анализа, который не дает зачастую разницы в данных между гидроксильной группой и привычной нам молекулой воды. Стоит отметить, что есть и естественный механизм превращения полученных гидроксильных групп в воду. Тоже под воздействием бомбардировок ионами водорода. Другое дело, что полученные молекулы воды на солнечной стороне должны быть быстро разрушены ровно тем же излучением. И это одна из проблем описываемой гипотезы. Молекулы воды расщепляются на водород и кислород, которые уносятся в космос. Таким образом, сильно ограничены зоны, где процесс образования воды может быть успешным и пополнить лунные запасы. Это границы кратеров. Если под воздействием солнечного ветра на границе кратера образовалась молекула воды, то есть высокая вероятность ее попадания в тень в этом кратере, что приведет к конденсации и ее сохранению до того, как породившее воду солнечное излучение молекулу и разрушит. Но если обратиться к изотопному анализу, то обнаружится, что в лунной воде дейтерия больше, чем в солнечном ветре (где дейтерия почти нет). Впрочем, различные исследования расходятся в показаниях относительно лунного дейтерия. Это лишь указывает на то, что пока нельзя однозначно отдавать первенство одной из гипотез происхождения воды на Луне. «Земной» сценарий Описанные выше гипотезы пока наиболее популярны при объяснении происхождения лунной воды. Однако существуют и альтернативные версии, порожденные историей происхождения Луны. Напомним: долго считалось, что она сформировалась из материала, «выбитого» из молодой Земли после ее столкновения с гипотетической древней планетой Тейей. Иной взгляд на проблему впервые сформулировал физик Николай Горькавый в 2007 году, а затем повторно выдвинула группа израильских исследователей в 2017 году. Он прост: столкновение двух планет – событие очень и очень маловероятное, примерно как попадание пулей в пулю. Могла быть и серия более мелких столкновений – падений на Землю множества астероидов, чьи удары выбили из поверхности Земли обломки, диск которых впоследствии образовал Луну. Николай Горькавый. commons.wikimedia.org В самом земном материале среди прочих веществ содержалась и вода. Конечно, при таком высокоэнергетическом воздействии существенная часть воды улетучилась бы. Но некоторая ее доля должна была остаться внутри выбитых земных фрагментов, а уже оттуда — попасть и в недра остывающей Луны. Наш спутник на заре своего существования имел высокую вулканическую активность, которая и стала источником воды на поверхности Луны, как предположили авторы модели, разработанной в Университете Колорадо в Боулдере. Во время массовых извержений на ранней Луне формировалась короткоживущая атмосфера, в которой содержался и водяной пар. Она быстро улетучивалась, однако часть воды успевала оседать в полярных регионах, формируя большие слои водяного льда, который мог сохраниться не только в постоянно затененных участках кратеров, но и под толщей реголита, что открывает новые перспективы для его исследования и добычи будущими колонистами. Изображение того, как мог выглядеть иней, образовавшийся на поверхности Луны миллиарды лет назад. Фото: Paul Hayne, colorado.edu Авторы модели рассчитали среднюю скорость, с которой газы из временной атмосферы Луны улетучивались, а также конденсировались на поверхности. Каждый раз после таких массовых извержений временная атмосфера сохранялась около тысячи лет. Этого времени достаточно, чтобы существенная часть выброшенного водяного пара осела на поверхность и была прикрыта реголитом. Часть воды при этом оказалась в кратерах, другая часть погребена под нынешней поверхностью. Что привлекает в данной гипотезе – это перспектива обнаружения больших водоносных слоев под реголитом. Ведь одно дело – обнаружить воду, другое – ее добыть и очистить. Способ образования водяного льда путем кометно-астероидной бомбардировки подразумевает сильное перемешивание его с частицами реголита, значительная часть воды должна быть химически связана в формах, затрудняющих ее извлечение Еще более сильное связывание должно быть при «солнечном» способе образования, где вода формируется буквально по молекулам. Извлечь ее из массы реголита будет не так легко. А вот при «вулканическом» способе – в случае правоты гипотезы Горькавого – велика вероятность найти большие слои льда, который не так сильно перемешан с реголитом. Проверить расчеты вручную? Почти все данные, которые легли в основу сценариев происхождения воды на Луне, были добыты дистанционно. Образцы лунного грунта, доставленные на Землю, дали мало ответов, поскольку их брали не из тех мест, где, как считается, хранятся основные запасы водяного льда. Какие-то гипотезы вовсе имеют чисто модельное происхождение. Однако уже в ближайшие годы мы будем знать почти наверняка, каково участие того или иного фактора образования воды на Луне. Этому помогут научные миссии, которые непосредственно изучат водяной лед в затененных кратерах около Южного полюса Луны, а также смогут пробурить верхний слой реголита, чтобы попытаться обнаружить залежи льда под ним. Сразу несколько аппаратов в эти районы планирует отправить NASA с помощью коммерческих партнеров, разрабатывающих посадочные модули. Среди этих аппаратов выделяется ровер VIPER, который как раз и займется поиском воды. Еще важнее планируемая высадка астронавтов на посадочном лунном модуле на основе Starship: в отличие от небольшого VIPER Starship может нести до ста тонн полезной нагрузки, то есть доставить на Селену даже очень тяжелое оборудование для бурения и исследований. Китай работает параллельно над несколькими лунными проектами программы Chang’e – сейчас реализовано пять миссий. Седьмая миссия этой программы предполагает отправку аппаратов к Южному полюсу. Среди них будет робот для исследования затененных участков кратеров для поиска льда. Отдельные частные компании и научные институты в Японии, Канаде и европейских странах предлагают свои проекты роботов-разведчиков. С высокой степенью уверенности можно сказать: в ближайшие десять лет мы узнаем, каково на самом деле происхождение лунной воды – а заодно и самой Луны. В случае, если вода там действительно с Земли, наш спутник окажется более чем подходящим местом для строительства баз и исследования людьми. Изобилие чистого водного льда даст к этому возможности, о которых еще в XX веке никто даже не подозревал.