Месяцами горьковчане крутили свои антенны между искусственной и естественной лунами, и все получалось не так.
Тщательный анализ показал, что металлический двойник Луны не пригоден. Наряду с известным излучением он как зеркало отражает в антенну радиотелескопа радиоизлучение, исходящее от поверхности Земли. Поэтому результаты измерений сильно зависели от положения этого зеркала, от того, какой участок Земли отражался им в антенну радиотелескопа. От металлической Луны пришлось отказаться. Но черная Луна тоже не обеспечивала однозначных результатов.
Долгое время задача казалась неразрешимой. Лишь после сопоставления большого числа наблюдений удалось установить, что причина кроется в дифракции – в огибании радиоволнами края искусственной Луны. Первоначально исследователи полагали, что в антенну попадает только та часть радиоизлучения Земли и космического фона, которая минует диск. Они не учитывали, что земное и космическое излучения частично огибают диск и тоже попадают в антенну. Точно так же морская волна, разрезанная торчащей сваей, миновав ее, снова смыкается и бежит дальше, почти не изменившись.
Так ученые столкнулись с непредвиденным осложнением. Вначале, когда только был задуман опыт с двойником Луны, они считали, что им предстоит решить простое уравнение с двумя неизвестными. А оказалось, Y скрывал в себе сразу несколько неизвестных величин. Как же выйти из положения?
Для выяснения влияния дифракции, для определения той доли, которую она вносит в общее радиоизлучение, горьковчане придумали остроумный способ. Они решили заменить диск отверстием в большой черной плоскости.
Дело в том, что, хотя непрозрачный диск и отверстие в непрозрачной стенке являются столь же противоположными и дополняющими друг друга, как плюс и минус, они в одном отношении оказываются тождественными. Оптики еще в прошлом веке убедились, что электромагнитные волны одинаково огибают и край диска и край отверстия. Так же одинаково огибают их и радиоволны, идущие из космоса или от земной поверхности.
И вот тут-то крылась возможность решить новое уравнение с двумя неизвестными. Сравнивая радиоизлучение от диска, от сплошной плоскости и от отверстия в ней, зная величины радиоизлучения от диска и плоскости с дырой, можно было узнать, наконец, долю космического фона вместе с дифракцией и земным фоном. Опыт намечался сложный, но зато появилась возможность определить все неизвестные части у.
Для выполнения нового опыта нужно было сделать непрозрачную стенку достаточно большой, чтобы радиоволны, огибающие ее внешние края, не попадали в антенну радиотелескопа.
Схема эксперимента была намечена. Ученые, наконец, могли приступить к сложному опыту, состоящему из ряда измерений.
Радиотелескоп направлялся на искусственную Луну, и делался первый отсчет. Затем черный диск убирался, и делался второй отсчет. После этого на то же место устанавливалась черная стенка с отверстием, равным диску, и делался третий отсчет. Затем черный диск закрывал отверстие, и делался четвертый отсчет. (Из четвертого опыта ученые узнавали величину земного фона. Из первого опыта – величину дифракции. Из второго – космического фона. Третий опыт был, по существу, контрольным.)
Итак, сравнивая четыре отсчета, удалось учесть все существенные помехи. Для контроля эта процедура была повторена, причем искусственная Луна и вспомогательная черная стенка переносились в различные места для того, чтобы помехи от Земли заметно изменились. При этом, сравнивая сигнал от черного диска, от отверстия в черной поверхности и от сплошной черной поверхности с сигналом от Луны и от участков неба, близких к Луне, но удаленных от нее настолько, что лунное излучение не попадало в антенну, когда она направлена на эти участки, радиоастрономы смогли точно учесть мешающее действие Земли и космического фона.
Так постепенно были откалиброваны искусственные луны, и можно было применять их для измерений радиоизлучения от настоящей Луны.
Луну надо подогреть
Конечно, все могло бы быть проще, если бы... двойник удалось расположить на одной линии с Луной. Тогда вся работа свелась бы к тому, что мерилось бы радиоизлучение от Луны (диск при этом убирался). А потом диск снова возвращался на место и мерилось его радиоизлучение. В этом случае все помехи были бы идентичны, и задача действительно свелась бы к уравнению с двумя неизвестными. Но... Во-первых, теория не позволяет расположить диск близко к антенне. А связать его с ней жестко при расстоянии между ними в сотни метров да еще вращать вместе с антенной, чтобы следить за Луной и следовать за ней по всему небосводу, – конечно, задача нереальная. Поэтому искусственную Луну приходится держать на одном месте, но измерения вести месяцами, чтобы вычислить средние величины помех. Кроме того, даже если бы искусственную и естественную луны удалось выдерживать на одной линии, дифракция фона на краю диска все равно внесла бы излишнюю погрешность.
Горьковчане, правда, наметили выход из положения, который избавил бы их от канители с дыркой и плоскостью. Они надумали подогревать искусственную Луну. Тогда измерения сильно упростились бы. Они свелись бы к следующим. Мерилось бы радиоизлучение от холодного диска, потом нагретого. Помехи – земные и космические – при этом были бы одинаковы, а радиоизлучение от лун холодной и нагретой – известно. Так без особых хлопот можно было бы узнать величину паразитного радиоизлучения.
Но простота и тут только кажущаяся. Диск надо разогревать равномерно по всей поверхности, а как это осуществить? Вмонтировать электрические спиральки по всему телу диска? Вряд ли это даст равномерный нагрев. В общем проблема разогрева искусственной Луны не решена. Опыт не поставлен. Возможно, мы узнаем о нем в скором времени.
А пока ученые подготовились к многократным операциям с диском, дыркой и сплошной стенкой.
Основные измерения начались. И снова неприятность. Оказалось, что работе на самых коротких волнах очень мешает земная атмосфера. Слабое радиоизлучение Луны на этих волнах поглощается в парах воды, а выделить с нужной точностью остаток его на фоне помех не удается. Пришлось везти радиотелескопы на склоны Эльбруса, там на высоте 3200 метров нашлась удобная площадка. Но выяснилось, что и эта высота недостаточна. Горьковчане отправились на Памир, где воздух суше, чем в Сахаре. И здесь на высоте 4200 метров радиоастрономам, наконец, удалось провести наблюдения.
И вот настало время делать выводы из всей серии необычных экспериментов.
Замерив с большой точностью величину радиоизлучения, испускаемого различными слоями лунной поверхности, ученые определили многие характеристики лунного вещества – его плотность, теплопроводность, электропроводность, и даже смогли оценить его минералогический состав и структуру. Теперь стало ясно, что никакой шубы, покрывающей почву Луны, не существует. Поверхностный слой нашего спутника довольно однороден и на глубину полутора метров сохраняет свои свойства неизменными. Расчеты показали, что плотность верхних слоев лунной породы почти в два раза меньше плотности воды. Следовательно, это не может быть обычная пыль, а тем более гранит или гнейс. И в определении теплопроводности лунного вещества ученые раньше ошибались. По новым расчетам, она в 50 раз больше той удивительно низкой величины, которая была подсчитана ранее (правда, она все равно в 30...40 раз ниже, чем теплопроводность любой из земных пород). И совсем не совпадает с теплопроводностью пыли в пустоте.
По мнению горьковских радиоастрономов, поверхность Луны должна быть более всего похожей на пемзу или пенобетон. Это твердое, очень пористое вещество с тонкими, но крепкими перегородками. Прочность пористой лунной почвы настолько велика, что ее свойства не изменяются вплоть до глубины в 20 метров. Недавно в нашей стране было получено нечто подобное. Расплавляя вулканическую породу и смешивая ее со специальными добавками, которые вызывают бурное выделение газов, инженеры создали новый строительный материал. В застывшем виде это очень легкая и прочная масса, прекрасный теплоизолятор. Если же выкачать газы, заполняющие его поры, то его теплопроводность, еще более уменьшившись, приблизится к теплопроводности лунной почвы.
– Если немного пофантазировать, опираясь на факты, – говорит Всеволод Сергеевич Троицкий, – то поверхность Луны нужно представлять себе похожей на унылую пустыню. Представьте застывшее море при обычном волнении в 1,5...2 балла. Так, если судить по сходству отражения радиоволн от морской и лунной поверхностей, выглядит шероховатая лунная почва. Возможно, однообразный пейзаж кое-где у подножий гор и возле кратеров разнообразится нагромождением камней и обломков, похожим на известный каменный «хаос» у входа в Алупкинский парк.
В общем будущие космонавты не утонут в океане пыли, – добавляет он, – опорой им будет слегка хрустящая, но твердая порода.
Так ученые узнали у радиоволн о внешнем виде лунной поверхности и о физических свойствах покрывающего ее вещества. Но для того чтобы ответить на вопрос: что представляет собой лунный камень, какова его природа? – надо знать его химический состав. А как его определить с Земли?
Лаборатория на вулканах
На этот вопрос у ученых сейчас «в ходу» несколько точек зрения. И одна из них – определение химических свойств лунной породы путем изучения ее оптических свойств и сравнения их с оптическими свойствами земных пород. Серьезные работы в этой области ведутся в Харькове под руководством Н.П. Барабашова и в Ленинграде – В.В. Шароновым и Н.Н. Сытинской.
Во взглядах этих школ есть некоторые различия. Харьковчане исходят из того, что лунная поверхность имеет крайне темную окраску. По образному выражению профессора Козырева, Луна «сложена из пород, отражающих свет так же мало, как свежевспаханное поле». Вот харьковские ученые и думают, что лунным веществом может быть туф – своеобразный продукт, образующийся на Земле в результате перестройки горных пород под действием воздуха и воды.
Ленинградские ученые основываются на том, что вещества, выбрасываемые вулканами: коричнево-красные, бурые, черные шлаки, тоже имеют по преимуществу темную окраску. Они, как и лунные породы, очень плохо отражают свет.
– Мы отнюдь не утверждаем, что лунная поверхность покрыта именно вулканическим шлаком, – говорит глава ленинградской школы, известный исследователь Луны В.В. Шаронов, – но мысль о наличии на Луне шлакообразного вещества вулканического происхождения весьма правдоподобна.
Чтобы проверить свои предположения, ленинградские астрономы решили исследовать действующие вулканы. Профессор Шаронов, астроном и альпинист Н.Б. Дивари и инженер А.В. Блазунов, захватив с собой специальные фотометрические приборы, отправились в один из немногих районов активного вулканизма в нашей стране – на Камчатку. Они решили вести исследования на склонах действующих вулканов – Авачинского и Ключевского. Цель ученых была – сравнение ландшафта земных вулканических областей с тем, что астрономы видят на Луне.
Об этой экспедиции Шаронов рассказывает: – Дождливый климат Камчатки очень мешал работе. Дело в том, что отражательная способность любого материала в сухом и мокром виде различна. Естественно, что для сопоставления с безводной Луной, где грунт всегда совершенно сух, годятся только данные, полученные при сухой погоде. Кроме того, сама методика измерений требует безоблачного неба и солнечного освещения. И все-таки нам удалось собрать обширный материал. Он будет пополнен исследованиями образцов в лаборатории.
Обработка материалов – дело длительное, и пройдет еще некоторое время, пока ленинградцы сделают окончательные выводы.
«Но уже сейчас можно сказать, что так называемый вулканический пепел едва ли существует на Луне в сколько-нибудь значительных количествах, – пишет в одной из своих статей Шаронов, – во-первых, у пепла сравнительно светлая окраска; во-вторых, это материал рыхлый, он легко осыпается и поэтому не может дать покрова с той ноздревато-изорванной структурой, которую, как говорят исследователи, мы должны встретить на лунной поверхности».
Лунит
У горьковских ученых свой подход к решению проблемы. Они считают, что оптический метод в данном случае ненадежен. Если верить ему, то пески разного цвета, белая и черная пемза, обладающие различной отражательной способностью, не одинаковы по своему химическому составу, а совершенно различны. Это, конечно, неверно. Их состав в основном одинаков, а окраска целиком зависит от ничтожных примесей, не влияющих на другие свойства.
Сравнивать земные и лунные породы по теплопроводности? Тоже ненадежно. Хоть радиоастрономы и научились мерить теплопроводность лунных пород очень точно, но она зависит не столько от химического состава, сколько от структуры и степени пористости.
По плотности? Это тоже ничего не скажет. Так существует ли вообще какая-нибудь зацепка для опознания химического состава лунного вещества? В.С. Троицкий считает, что такой зацепкой может быть сравнение степени затухания радиоволны при прохождении ее через земное и лунное вещество. Верным критерием считается даже и не самое затухание, не потери энергии радиоволны, а особое число, характеризующее эти потери, – угол потерь. Его величину в лунной породе горьковчане определили из наблюдений радиоизлучения Луны. Для того чтобы определить, какая из земных пород обладает этой же характеристикой, пришлось перебрать и исследовать тысячи образцов. Из карьеров и музеев Армении были собраны самые различные минералы, а также каменные метеоры и тектиты. Их сопоставляли, сравнивали, исследовали радиоволнами различной длины.
После двух лет работы горьковчане окончательно убедились, что лунное вещество по своему химическому составу не похоже ни на туф, ни на шлак. Ближе всего оно к... граниту, диориту, липариту, габбро, нефелиновому селениту.
– Сейчас, – говорит Троицкий, – можно уже достаточно определенно сказать, что верхняя порода Луны содержит 60...65 процентов окиси кремния (минерал кварц), 15...20 процентов окиси алюминия (минерал корунд). Остальные 20 процентов составлены из окислов калия, натрия, кальция, железа и магния. Значит, лунные породы имеют тот же химический состав, что и земные. Но, в силу лунных особенностей – отсутствия воды и воздуха, из-за воздействия резких колебаний температуры – эти породы находятся в необычном для Земли пористом состоянии.
Особенно интересно, что все наблюдения свидетельствуют о том, что в среднем свойства вещества на всей поверхности Луны, – и на ее «морях» и на материках – почти одинаковы. Теперь можно твердо сказать, что морей пыли на Луне не существует.
Так радиоастрономы опознали лунное вещество. Опознали дистанционно, на огромном расстоянии от Земли, словно у себя за лабораторным столом!
Горьковчане много спорили и о свойствах лунного вещества и о том, как назвать его. Ведь судьба его похожа на судьбу вещества солнечного – гелия. Обнаружив гелий впервые на Солнце, люди дали ему имя «солнечный», не подозревая, что он равноправный житель Земли. Лунное вещество по своим физическим свойствам – продукт истинно лунный, и его имя, конечно, должно отражать его сугубо лунную сущность. Горьковчане устроили настоящий конкурс, чтобы дать имя своему детищу. Победило нежное «лунит». Так горьковские физики и назвали лунное вещество.
Но на этом работы по исследованию Луны не прекратились. Радиоастрономы решили продолжать зондировать Луну вглубь, исследовать излучение более глубоких слоев ее почвы. Сравнив показания радиотелескопов, принимавших радиоизлучение на различных длинах волн, они пришли к поразительному выводу: недра Луны горячие!
Да и какой другой вывод можно было сделать, если на глубине в 20 метров температура оказалась на 25 градусов выше, чем на поверхности. По расчетам, на глубине 50 километров она равна 1000 градусам!
Если Луну греет только Солнце, то в глубине ее не может быть теплее, чем на поверхности. Значит... Значит, Луну греют ее недра. Это окончательно доказало, что Луну нельзя назвать полностью остывшей.
И что особенно интересно: поток тепла, идущий из недр Луны через каждый сантиметр ее поверхности, оказался таким же по величине, как и у нашей планеты. Для космогонии это очень важно.
Радиоастрономы, изучая Луну, получили еще одно подтверждение теории происхождения планет, созданной О.Ю. Шмидтом.
В соответствии с этой теорией все планеты и их спутники образовались в результате концентрации холодного метеоритного вещества, которое в весьма отдаленные времена сравнительно однородно заполняло окрестности Солнца.
С течением времени в результате радиоактивного распада вещество, сосредоточившееся в небесных телах, нагревается. Степень нагрева зависит при прочих равных условиях от размеров планеты. Вероятно, Луна не имеет жидкого ядра. Это подтверждается также отсутствием у нее заметного магнитного поля, что было установлено приборами, приблизившимися к ней на советских лунных космических станциях. Да, каждый новый факт о родстве и сходстве с Землей и другими планетами солнечной системы заполняет один из пробелов в биографии Луны.