Исследование солнечной активности

В соответствии с достигнутым международным соглашением период 1976- 1979 гг. был объявлен периодом международного исследования магнитосферы. Цель проводимых исследований - определение влияния солнечной активности на погоду, на процессы в ионосфере, оказывающие существенное воздействие на радиосвязь, навигацию, содержание озона в атмосфере, а также влияния длительного воздействия солнечного ветра и межпланетного магнитного поля на климат в различных частях земного шара. Вкладом НАСА и ЕСА в эти исследования был вывод на орбиту в 1977-1978 гг. трех международных космических аппаратов для изучения космического пространства между Землей и Солнцем - «ИСЕЭ» (англ. ISEE - International Sun-Earth Explorers) в дополнение к космическим аппаратам ЕСА «ГЕОС», Японии «ЭКСОС» и Советского Союза - ИСЗ «Прогноз-4 и -5», «Интеркосмос-14 и -18» и АМС «Венера-9 и -10». Если ИСЗ «ИСЕЭ-1 и -2» были выведены на высокие эллиптические орбиты вокруг Земли, то «ИСЕЭ-3» предполагалось вывести на необычную орбиту (высотой 1,5 млн. км), проходящую вблизи первой точки либрации. Это позволяло регистрировать солнечную активность с помощью аппарата «ИСЕЭ-3», а затем часом позже с помощью спутников «ИСЕЭ-1 и -2» и получать таким образом информацию о временных и пространственных изменениях.

Несмотря на существование ряда автоматических космических аппаратов, оперативно управляемых с Земли высококвалифицированными специалистами, многие наблюдения и исследования могли бы быть лучше проведены людьми, находящимися на борту космического аппарата. Так, на пилотируемых советских орбитальных научных станциях «Салют» и американской орбитальной станции «Скайлэб» представилась уникальная возможность для изучения Солнца и проведения других астрофизических наблюдений. С помощью звездного спектрографа «Орион-1» на станции «Салют-1» и орбитального солнечного телескопа (ОСТ-1) на станции «Салют-4» были зарегистрированы солнечная активность в течение длительного периода времени и необычные флуктуации солнечной короны. Во время пребывания на орбитальной станции «Салют-4» экспедиции в составе летчиков-космонавтов П. Климука и В. Севастьянова, доставленной туда транспортным кораблем «Союз-18», разнообразная научная деятельность экипажа, включая наблюдения из космоса обнаруженной учеными Крымской астрофизической обсерватории вспышки на Солнце, принесла большую пользу. За время полета космонавты получили сотни фотоснимков Солнца и спектрограмм солнечного излучения.

На станции «Скайлэб» находилось не менее восьми солнечных телескопов: пять - для проведения исследований в рентгеновской и ультрафиолетовой областях спектра, два - для телевизионной передачи изображений и один - для фотографирования солнечной короны. В течение трех экспедиций астронавтов, полное время пребывания которых на станции составило около 6 мес, удалось получить свыше 180 000 снимков, включая и удачные снимки, сделанные астронавтом Э. Гибсоном, которому впервые удалось зафиксировать зарождение протуберанца в солнечной короне.

На первом этапе космических полетов ученые и инженеры были озабочены тем, что метеориты и космическая радиация могут представлять серьезную угрозу для осуществления полетов как пилотируемых, так и автоматических космических аппаратов. В 1946 г. один из астрономов Гарвардского университета предсказал, что из двадцати пяти отправляющихся на Луну космических аппаратов один будет выведен из строя потоком метеоритов. К счастью, полеты таких ИСЗ, как американские «Эксплорер-1 и -6» и советский «Спутник-3», довольно быстро показали, что метеорные потоки реальной угрозы для полетов не представляют. Запущенные в 1965 г. на высокие орбиты три американских спутника «Пегас» позволили получить уточненные данные о метеоритной опасности, необходимые для планирования длительных экспедиций на околоземных орбитах и для полета на Луну.

Поскольку исследование Солнца представляет для человечества единственную возможность непосредственного изучения звезды, наши знания о нем могут быть использованы при поиске ответов на многие вопросы об эволюции звезд и галактик. Наши ближайшие соседи в системе Альфы и Проксимы Центавра находятся на расстоянии 1,3 пс (1 парсек = 3,26 световых лет = 3,08·10 ¹³ км) и даже в самые мощные наземные телескопы различимы как слабые точечные источники. Обнаружив в 1784 г., что звезда Дельта Цефея (давшая название целому классу переменных звезд - цефеид) имеет регулярно изменяющийся блеск, астрономы поняли, что не все звезды столь же стабильны, как наше Солнце. С тех пор исследователи космоса обнаружили множество экзотических небесных тел.

В 1963 г., когда было обнаружено красное смещение (смещение в длинноволновую область электромагнитного спектра) спектральных линий двух объектов, известных под номерами 3С273 и 3С48, соответственно на 16 и 37%, свидетельствующее о том, что последний объект удален от нас на расстояние более 4·10⁹ световых лет, стала понятной важная роль нового класса звездоподобных объектов (квазизвездных объектов, или квазаров). Выявление подобных оптических объектов на столь громадном удалении заставляет предполагать об излучении ими сверхгигантской энергии. С помощью обычных теорий излучение такой энергии можно объяснить столкновением целых галактик. Запущенная в декабре 1968 г. орбитальная астрофизическая обсерватория «ОАО-2» с одиннадцатью телескопами и двумя сканирующими спектрометрами была лишь одним из нескольких космических аппаратов, созданных для дальнейшего исследования этих необычных объектов. Регистрируя потоки ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучений, орбитальные обсерватории продолжали определение новых характеристик квазаров с целью раскрыть их истинную природу.

Наблюдения за этими и другими удаленными объектами интересны потому, что из-за большого времени распространения излучения до Земли мы фактически можем заглянуть в прошлое Вселенной. В то время как обычные наблюдения на протяжении человеческой жизни не позволяют обнаружить никаких изменений для большинства звезд, время существования которых исчисляется миллионами и миллиардами лет, изучение квазаров, возможно, познакомит нас с физическими условиями после образования Вселенной. Изучение этих явлений, следовательно, должно привести к лучшему пониманию эволюции космоса. Поскольку квазары сохраняют свое положение на небосклоне с прецизионной точностью (для земного наблюдения их перемещения практически равны нулю), они были также использованы в качестве опорных точек при проведении точных геодезических измерений.

Дальнейшим развитием этих работ в 60-е годы было обнаружение с помощью высотных ракет-зондов, а затем уточнение местоположения с помощью орбитальных космических аппаратов источников небесного рентгеновского излучения. Вначале считали, что источником излучения является фронт ударной волны горячего расширяющегося газа, образовавшегося при взрывах Сверхновых и сталкивающегося с межзвездными облаками. Подобное явление было обнаружено в созвездиях Кассиопеи, в Крабовидной туманности и др. Информация, полученная со спутника «Коперник» («ОАО-3»), который был запущен в 1972 г. и функционирует до сих пор, подтвердила справедливость такого объяснения для первого объекта. Однако выяснилось, что в Крабовидной туманности находится точечный источник, энергия излучения которого в сотни раз больше, чем Кассиопеи-А, несмотря на то что этот источник (след вспышки Сверхновой в 1054 г.) старше на 650 лет. Запущенный Европейским космическим агентством спутник для наблюдения за небесной сферой - «КОС-В» (англ. COS - Celestial Observation Satellite) обнаружил, что Крабовидная туманность является мощным источником гамма- и рентгеновского излучений.

Объяснить особенность излучения Крабовидной туманности удалось благодаря открытию в 1967 г. пульсаров. Эти небольшие по размерам объекты (несколько километров в диаметре) обладают тем уникальным свойством, что с исключительной точностью испускают всплески радиоизлучения с периодом до 2 с. В следующем году было установлено, что в Крабовидной туманности находится пульсар высокой энергии. Согласно современной теории, источником этих сигналов является быстровращающаяся нейтронная звезда, которая образовалась после коллапса остатков Сверхновой. Нейтронная звезда, существование которой было теоретически предсказано в 1934 г., состоит из вещества такой плотности, что свободные электроны и протоны рекомбинировали в нейтроны, образуя тело, которое при массе, равной массе Солнца (в 330 000 раз большей массы Земли), сжато в шар диаметром около 10 км. Рентгеновский источник Геркулес Х-1, обнаруженный малым астрономическим спутником «Ухуру» («САС-1», англ. SAS - Small Astronomy Satellite), существование которого было подтверждено измерениями, выполненными спутником «ОСО-7», также, по-видимому, связан с нейтронной звездой.

Черные дыры

Открытие нейтронных звезд вновь вызвало интерес к явлению полного гравитационного коллапса звезды, впервые описанного Шварцшильдом в 1916 г. после опубликования Эйнштейном его общей теории относительности. Если звезда, масса которой больше массы Солнца, испытывает катастрофический взрыв Сверхновой, сила притяжения оставшейся материи может превысить все существующие ядерные силы, и произойдет полный гравитационный коллапс с образованием так называемой черной дыры. Гравитационное поле такого объекта может быть столь сильным, что будет препятствовать выходу за пределы тела существующих внутри него светового и других видов электромагнитного излучения, и тело становится невидимым, чем и обусловлено такое его экзотическое название.

Необычные свойства черных дыр, конечно, исключают применение для их исследования традиционных методов. Фактически черную дыру можно обнаружить только по ее воздействию на внешнее тело. Наблюдение черной дыры становится возможным, если она является невидимым партнером в бинарной системе, состоящей из черной дыры и обычной звезды. В этом случае рентгеновское излучение, испускаемое обычной звездой, может быть зарегистрировано.

Хотя до 1960 г. большинство ученых считали невозможным обнаружение рентгеновского излучения звезд или других внегалактических источников, открытие квазаров, нейтронных звезд, пульсаров и черных дыр выдвинуло рентгеновскую астрономию на передний край космических исследований. Поскольку рентгеновское излучение поглощается земной атмосферой, была создана целая флотилия космических кораблей для штурма этого переднего края науки. Спутники «САС-1, -2, -3», «ОСО-7, -8», «ХЭАО-1, -2» (англ. НЕАО - High Energy Astronomy Observatory) и «Ариэль-5» - лишь небольшая часть космических обсерваторий, запущенных в космос для изучения постоянных и пульсирующих источников рентгеновского излучения.

В апреле 1975 г. английский спутник «Ариэль-5» зарегистрировал рентгеновское излучение новой звезды, которое вскоре начало интенсивно нарастать, так что новая стала самым мощным источником рентгеновского излучения на небесной сфере, но затем постепенно в течение нескольких месяцев ее излучение ослабло. Спутники «САС-3» и «Ариэль-5» также обнаружили и зарегистрировали новое явление периодического интенсивного рентгеновского излучения, названное взрывами рентгеновского излучения. Короткие периоды излучения (миллисекунды) должны указывать на присутствие черной дыры, в то время как более длительные периоды излучения (секунды) присущи нейтронным звездам. При проведении эксперимента по регистрации рентгеновского излучения во время совместных советско-американских работ по программе ЭПАС был обнаружен первый внегалактический пульсар. Информация, полученная со спутника «ХЭАО-1», позволила сделать поразительное открытие - существует фоновое рентгеновское излучение, происхождение которого до настоящего времени окончательно не выяснено.

Одним из наиболее изученных источников рентгеновского излучения является Лебедь Х-1. Как такой источник он был впервые обнаружен спутником «САС-1», а полученные позже с помощью космической обсерватории «ОАО-3» данные позволили предположить, что этот источник является черной дырой. Лебедь Х-1 был объектом первых наблюдений со спутника «ХЭАО», и многим ученым он представлялся как лучший пример для проверки гипотезы существования черных дыр. Если действительно этот объект является черной дырой, он должен иметь массу, примерно в десять раз большую массы Солнца, а диаметр - порядка одной миллионной его диаметра. Изучение полученных с помощью спутников данных позволило назвать еще три предполагаемых кандидата в черные дыры - Циркуль Х-1, GX 339-4 и V861 Скорпиона.

Одна из многих причин особого интереса к черным дырам состоит в том, что они могут повлиять на развитие теорий эволюции Вселенной. Единственный важнейший вопрос, на который сегодня пытаются ответить ученые-космологи,- будет ли всегда продолжаться расширение Вселенной или оно постепенно прекратится и со временем опять начнется сжатие. Решающим фактором в этом процессе является сумма масс находящихся во Вселенной тел. Гравитационного притяжения наблюдаемых масс (оптические звезды, галактики, облака и др.) недостаточно для предотвращения катастрофического процесса разлета Вселенной. Однако если во Вселенной существует значительное число черных дыр, их массы может оказаться достаточно для прекращения расширения Вселенной и начала ее сжатия, после чего возможно новое расширение. Современные теории допускают существование сверхтяжелых черных дыр в квазарах и центрах галактик. Недавно полученные данные с орбитальной обсерватории «Эйнштейн» («ХЭАО-2»), позволяют также предположить, что черные дыры имеются в центрах скоплений старых звезд, называемых шаровыми скоплениями.

Другим методом решения загадки - расширяется или пульсирует Вселенная - является определение количества дейтерия (изотопа водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре) в межзвездном пространстве. Большое количество дейтерия будет означать, что начальная плотность вещества во Вселенной слишком мала для прекращения наблюдаемого расширения. Малое количество дейтерия будет означать большую начальную плотность, следствием которой будет сжатие Вселенной. Такой эксперимент был уже проведен на спутнике «Коперник» («ОАО-3»). Из полученных данных следует предварительный вывод - Вселенная расширяется бесконечно.

Точное определение количества газа в межгалактическом пространстве также может помочь в расчете полной массы Вселенной. Для обнаружения скоплений такого газа и молодых горячих звезд, которые, как и газ, интенсивно излучают в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра, с помощью спутника «ТД-1А», принадлежащего организации ЕСРО, проведено обследование всей небесной сферы и занесено в каталог более 15 000 звезд. Спутник «ОАО-2» обнаружил первый источник ультрафиолетового излучения в центре М31 туманности Андромеды, а в другом эксперименте по программе ЭПАС были обнаружены первые мощные источники ультрафиолетового излучения за пределами Солнечной системы, а также самый горячий источник - карликовая звезда. Орбитальная обсерватория «ОАО-3» и первый нидерландский спутник «АНС-1» продолжили эти исследования в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. Орбитальные обсерватории «ОАО» за половину суток передают такое количество информации, какое можно было бы получить от сорока высотных ракет-зондов более чем за 15 лет.

С помощью совместно разработанного НАСА, ЕСА и Англией международного спутника для изучения ультрафиолетового излучения - «ИУЭ» (англ. IUE - International Ultraviolet Explorer), который был выведен на орбиту в январе 1978 г., проведены наиболее полные измерения этого вида излучения. Осуществляя измерения с экспозициями длительностью до нескольких часов, этот исключительно успешно функционирующий спутник уже собрал коллекцию научных результатов, начинающихся со слова «впервые»: впервые получен с большим разрешением спектр ультрафиолетового излучения звезды из другой галактики, впервые записан спектр ультрафиолетового излучения Сверхновой, впервые измерены линии поглощения и излучения слабых источников, впервые обнаружен центр шаровых скоплений, удаленный от нас на расстояние в 15 000 световых лет.

Радиоизлучение, имеющее значительно большие длины волн, чем ультрафиолетовое излучение, регистрировалось наземными и космическими приемниками радиосигналов. Для изучения радиосигналов были запущены спутники «Денпа», «Ариэль-2, -3 и -4», а также «РАЭ-1, -2» (англ. RAE - Radio Astronomy Explorer - «Эксплорер» для радиоастрономических наблюдений). Спутник «РАЭ-1» был оснащен четырьмя антеннами длиной по 230 м каждая. Выяснилось, что Земля излучает радиоволны, напоминающие радиоволны, испускаемые Юпитером. Спутник «РАЭ-2» был выведен на окололунную орбиту в 1973 г., чтобы регистрировать радиосигналы от Солнца и из галактик с использованием Луны в качестве «экрана» фонового радиоизлучения Земли, которое при ином расположении приемника излучения могло интерферировать с исследуемым радиоизлучением.

Высокоэнергетическая область спектра электромагнитного излучения (область гамма-излучения) детально исследовалась начиная с 1961 г., когда был выведен на орбиту спутник «Эксплорер-11», но особый интерес эта область приобрела в 1967 г., когда были запущены американские спутники «Вела», предназначенные для обнаружения ядерных взрывов, в соответствии с Договором о запрещении испытаний ядерного оружия в космосе. Сравнительно новая область физики - гамма-астрономия начала бурно развиваться после вывода на орбиту в 1971 г. находящегося на борту советской орбитальной пилотируемой научной станции «Салют-1» гамма-телескопа «Анна-3». Для проведения комплекса исследований были запущены два американских спутника «ХЭАО-1 и -2». В их задачи входило сначала обнаружение источников гамма-излучения, а затем более детальное изучение объектов, представляющих особый интерес. Малый астрономический спутник «САС-2» и спутник для наблюдения за небесной сферой «КОС-В» внесли большой вклад в изучение этой проблемы.

Космос не только отвечает на вопросы, которые волнуют астрономов, он является уникальной лабораторией для проверки теорий строения ядра, которые могут быть использованы у нас на Земле. С помощью установленной на орбитальных научных станциях «Салют» фотоэмульсионной камеры ФЭК-7 исследовалось первичное космическое излучение в поисках монополей Дирака (частиц с одним магнитным полюсом - либо северным, либо южным) и ядер античастиц. Запущенная Советским Союзом в 1966 г. большая космическая обсерватория «Протон-3» имела на борту аппаратуру для регистрации частиц с дробной величиной электрического заряда - кварков (еще одной разновидности элементарных частиц), если бы они оказались в космическом излучении. Измерения, проведенные на высотных шарах-зондах в ноябре 1977 г., позволили обнаружить, по-видимому, происходящее в космосе явление аннигиляции пары электрон - позитрон. Это явление может оказаться первым шагом к измерению количества антивещества¹ во Вселенной.

Орбитальные обсерватории в будущем предполагается использовать для проведения исследований во всем спектре электромагнитного излучения. Советские специалисты в течение длительного времени изучали проблемы создания крупного космического радиотелескопа. Исследовались проекты радиотелескопов с диаметром антенны 1-10 км, с миллиметровыми и дециметровыми диапазонами принимаемых сигналов. С помощью такого телескопа можно зарегистрировать радиоизлучение от подобных Солнцу звезд, удаленных от нас на расстояния в 100 000 световых лет. Использование двух разнесенных в пространстве таких сооружений в качестве радиоинтерферометра¹ позволит охватить наблюдениями всю видимую Вселенную! Эти исследования помогут советским ученым вести поиск внеземных цивилизаций.

Запущенный в 1981 г. на полярную орбиту спутник «ИРАС» (англ. IRAS - Infrared Astronomical Satellite), разработанный совместно НАСА и специалистами Англии и Нидерландов, проводит астрономические наблюдения всей небесной сферы в инфракрасной области спектра. На спутнике установлен телескоп массой 700 кг с приемником излучения, охлаждаемым до температуры 3К (-270°С). Кроме наблюдений в инфракрасной области спектра с помощью этого телескопа изучается фоновое космическое излучение со времен большого взрыва при образовании Вселенной. Для этой же цели НАСА предполагало дополнительно запустить спутник «КОБЭ» (англ. СОВЕ - Cosmic Background Explorer).

Разработанный совместно НАСА и ЕСА оптический телескоп предполагалось вывести на орбиту в 1983 г. Главный элемент сооружения - зеркало диаметром 2,4 м, позволяющее наблюдать слабые звезды 27-й звездной величины. Эти звезды в пятьдесят раз слабее звезд, наблюдаемых в телескоп (с диаметром зеркала 508 см) обсерватории Маунт-Паломар. После вывода телескопа с помощью МТКК «Спейс Шаттл» на орбиту потребуется проводить один раз в 1-2 года его техническое обслуживание и один раз в 4-7 лет полировку зеркал для восстановления отражательных свойств поверхности. Кроме основного зеркала телескопа будут заменяться и другие элементы: широкоугольная камера, камера для фотографирования слабых объектов, планетная камера, спектрограф с высоким разрешением и инфракрасный фотометр. В 1981 -1982 гг. предполагалось запустить разработанный ЕСА спутник «ЭКСОСАТ» для продолжения начатого в 1979 г. спутником «ХЭАО-3» поиска источников рентгеновского излучения, закрытых от нас Луной, а также поиска нейтронных звезд, пульсаров и черных дыр. Комплект усовершенствованного астрофизического оборудования, который предполагается использовать в середине 80-х годов, позволит расширить диапазон проводимых исследований, даст возможность изучить структуру звезд и галактик, эволюцию Вселенной, а также проверить различные космологические теории.

В 1984 г. с помощью МТКК «Спейс Шаттл» предполагается вывести на орбиту обсерваторию для регистрации гамма-излучения с целью поиска источников этого излучения в Галактике и за ее пределами. Наряду со вспышками гамма-излучения и другими нестационарными явлениями будет регистрироваться радиоизлучение галактик, пульсаров, квазаров и источников антивещества.

Полеты в космос за последние двадцать с лишним лет пробудили наш интерес к практически неизученной Вселенной. Господствовавшие до запуска первого спутника представления о Вселенной сейчас кажутся такими же устаревшими, как представления Птолемея по сравнению со взглядами Коперника. Будущие исследования расширят и углубят наши знания о Вселенной.

С начала космической эры, когда появилась возможность проводить наблюдения с помощью искусственных спутников Земли, наши представления о Вселенной существенно изменились. Атмосфера Земли, прозрачная для видимого света, не пропускает значительную часть электромагнитного излучения, ограничивая поступление информации о природе излучающих тел в далеком космосе. Даже в оптическом диапазоне полученные с помощью телескопов изображения искажены атмосферой.

Достижения радиоастрономии, существенно расширившей диапазон изучаемых длин волн, позволили обнаружить бурную Вселенную. Углубились наши представления о механизмах зарождения галактик и нестабильности звезд. В настоящее время тщательно изучаются такие «таинственные» объекты, как нейтронные звезды, пульсары, квазары и черные дыры.

Для исследований небесных тел созданы космические приборы столь высокой чувствительности, что мы вправе ожидать расширения нашего представления о Вселенной, сравнимого с переворотом, произведенным Коперником 500 лет назад. Одним из таких приборов является космический телескоп, позволяющий регистрировать излучение в широком диапазоне длин волн: от дальней ультрафиолетовой области до дальней инфракрасной (длины волн от 0,11 мкм до 1 мм). Большая часть этого излучения недоступна для наземных наблюдателей. Замечательный прибор способен «видеть» объекты, удаленные в семь раз дальше и с интенсивностью излучения в пятьдесят раз меньшей, чем объекты, наблюдаемые с поверхности Земли. Система наведения и стабилизации может направить телескоп с погрешностью 0,01", и удерживать объект исследования в течение длительных периодов времени с погрешностью 0,007".

Теоретически в этот телескоп можно увидеть монету на расстоянии около 600 км, а также детали структуры облаков на Юпитере размером около 300 км. На практике с его помощью можно будет вести поиск планет у ближайших к нам звезд.

Теперь открывается возможность исследовать молодые звезды, возраст которых не превышает 75 000 лет и которые имеют температуру поверхности порядка 50 000° С. При таких условиях большая часть излучения приходится на ультрафиолетовую часть спектра. Мы также сможем наблюдать холодные звезды, большая часть излучения которых приходится на инфракрасную область спектра.

Наблюдения за Вселенной позволяют заглянуть в наше прошлое. Свет от ближайшей звезды доходит до нас более чем за 4 года, а от звезды из созвездия Волопаса - за 200 лет. Доходящий до нас «мертвый свет» дает информацию о существовавших в прошлом физических условиях в источниках этого излучения. И что наиболее замечательно, космический телескоп впервые предоставит ученым возможность увидеть удаленные галактики в момент их образования. Фактически это позволяет заглянуть в прошлое примерно на 14 000 млн. лет, когда, согласно одной из современных теорий, возникла Вселенная.

Для сборки антенны телескопа отдельные ячейки фермы диаметром около 200 м в сложенном состоянии доставляются на низкую околоземную орбиту, где и осуществляется их монтаж либо с помощью роботов, либо экипажем орбитальной станции. Для сборки потребуется 10-15 человек. Собранный радиотелескоп будет иметь диаметр антенны 1-10 км. Он будет способен работать либо самостоятельно, либо в паре с аналогичным радиотелескопом, расположенным в другой точке космического пространства, как интерферометр.

Техника использования радиотелескопов в различных, порой удаленных друг от друга на значительные расстояния странах для получения и сравнения радиосигналов от одного и того же небесного объекта сейчас хорошо отработана. Разрешающая способность такой системы телескопов, действующей как интерферометр, зависит не только от характеристик каждой антенны, но и от разделяющего их расстояния. Когда крупнейшие телескопы различных стран - Австралии, Англии, Нидерландов, ФРГ, Канады, США и Советского Союза - используются в качестве плечей интерферометра, разрешающая способность такого устройства огромна. Находящийся на Луне объект может быть изучен с разрешением до 20 см. Однако дальнейшее повышение чувствительности такой системы невозможно, поскольку она в качестве базового расстояния использует диаметр всего земного шара. Следующий шаг, следовательно, должен быть сделан в космос. Первый такой эксперимент был проведен в августе 1979 г., когда на борту орбитальной научной станции «Салют-6» был собран и развернут в космосе радиотелескоп КРТ-10 с антенной диаметром 10 м. КРТ-10 использовался совместно с расположенным в Крыму наземным радиотелескопом с антенной диаметром 70 м.

При современных средствах перемещения в космосе вполне реально разместить одну большую антенну размером 1 -10 км на орбите вокруг Сатурна. Другой телескоп будет перемещаться по своей траектории с помощью специальных ракетных двигателей (по предварительным оценкам, для этой цели могут оказаться подходящими электрические реактивные двигатели малой тяги) и затем перейдет на гелиоцентрическую орбиту. Окончательное расстояние между двумя радиотелескопами составит около 1500 млн. км, что позволит увеличить разрешающую способность системы по сравнению с любым телескопом на Земле в сотни тысяч раз.

Советские астрономы считают, что это откроет путь к изучению удаленных объектов, включая планеты, вращающиеся вокруг других звезд. В программе космических исследований, разработанной АН СССР, одной из главных проблем названа проблема связи с внеземными цивилизациями, включая «исследование планет и подобных планетам космических тел и звезд». Радиотелескопы рассмотренного выше типа могут резко увеличить вероятность обнаружения искусственных радиосигналов, подаваемых другими цивилизациями во Вселенной, если такие цивилизации существуют.

Роль таких телескопов в глобальной астрономии будет огромной, особенно в поисках пульсаров, квазаров и активных галактических центров, которые при наблюдении с Земли имеют чрезвычайно малые угловые размеры.

Пока проводимые с Земли наблюдения дают нам лишь двумерное представление о Вселенной. С помощью космических радиотелескопов радиоастрономы впервые получат возможность наблюдать удаленные объекты с учетом пространственных характеристик и таким образом получат трехмерную картину Вселенной.

9. Полеты AMС к Луне Д. Вудс (США)

Луна всегда привлекала человека. Литература богата описаниями фантастических путешествий на Луну, самое раннее из которых «состоялось» почти 2000 лет назад. Однако до недавнего времени практическое осуществление таких полетов было за пределами возможностей человека, который довольствовался изучением ее с помощью телескопов. Первым наблюдал Луну в телескоп астроном эпохи Возрождения Галилео Галилей. Он видел большие темные относительно гладкие равнины и более светлые пространства, покрытые горами и кратерами. Со временем картографы назовут эти равнины морями, хотя очевидно, что они не имеют ничего общего с морями в нашем представлении. Развитие фотографии в значительной мере облегчило технологию картографирования. К концу XIX в. вся полусфера Луны, которая всегда обращена к Земле, была сфотографирована с разрешением менее 1 км и в результате были составлены подробные атласы. Тем не менее многие основные свойства Луны оставались неизвестными.

Было установлено, что диаметр Луны примерно в 4 раза меньше диаметра Земли и что она движется по почти круговой орбите вокруг Земли с периодом обращения 1 мес. Отсутствие атмосферы и признаков воды исключало надежду обнаружить на Луне жизнь, сходную с земной. Средняя плотность, составляющая лишь 61% плотности Земли, позволяла предполагать другое внутреннее строение Луны, но, насколько велики эти отличия, оставалось загадкой. Еще менее ясными были состав слагающих Луну пород и происхождение Луны. За миллиарды лет существования Земли первоначальные свойства ее поверхности давно изменились под действием ветра, воды, ледников и биологических процессов. Поверхность Луны испытывала воздействие солнечного ветра и бомбардировку метеоритами, выдерживала контрасты температуры. Однако влияние этих факторов было минимальным. На самом деле Луна очень хорошо сохранилась со времени своего образования; она - немой свидетель прошлого. Непосредственное изучение Луны помогло бы лучше понять происхождение системы Земля - Луна, а возможно, и происхождение самой Солнечной системы. Исходя из этого, СССР и США в конце 50-х годов готовились к запуску автоматических аппаратов в направлении Луны.

Первые попытки

Перед первыми автоматическими межпланетными станциями (АМС), запускаемыми к Луне, ставилась весьма скромная задача: развить достаточно высокую скорость и обеспечить необходимую точность наведения для гарантированного пролета достаточно близко к Луне, чтобы передать максимум информации. Достичь этой цели на столь раннем этапе развития космической техники было нелегко. Представьте себе, что Земля - гигантская карусель, а Луна - цель, отстоящая на расстояние 384 000 км и проходящая в течение часа путь, равный своему диаметру. С помощью винтовки, установленной на карусели, попытайтесь поразить цель пулей, которая достигнет ее через несколько суток, двигаясь по дуге большой протяженности со снижающейся скоростью. Выстрел должен быть рассчитан по секундам, чтобы гарантировать либо прямое попадание, либо пролет вблизи цели.

Первые три попытки ВВС США запустить к Луне АМС «Пионер» в августе, октябре и ноябре 1958 г. потерпели неудачу, поскольку не была развита достаточная скорость для выхода на отлетную траекторию; аналогично закончился эксперимент армии США.

В конце концов армии США удалось обеспечить пролет космического аппарата на некотором расстоянии от Луны, но это произошло лишь после аналогичного успеха СССР.

Хотя первые американские «Пионеры» не выполнили основной цели - пролета вблизи Луны, они впервые произвели измерения межпланетного магнитного поля и протяженности радиационного пояса Земли. Советская АМС «Луна» впервые совершила успешный полет в январе 1959 г., пройдя на расстоянии менее 5000 км от лунной поверхности. Выдающийся успех был достигнут в сентябре этого же года, когда станция «Луна-2» достигла поверхности Луны в точке, находящейся на расстоянии около 800 км севернее центра видимой части вблизи кратеров Аристил, Архимед и Автолик, и стала первым изделием человека, доставленным на другое небесное тело. Непосредственно перед падением на лунную поверхность бортовые приборы передали информацию, свидетельствующую об отсутствии значительного магнитного поля и радиационных поясов вокруг Луны.

В октябре того же года была запущена АМС «Луна-3» на траекторию облета Луны, проходящую на расстоянии 6200 км от Луны. Под действием гравитационного поля Луны станция обогнула ее и вышла на траекторию возврата к Земле в северной части небосвода, что создавало весьма благоприятные условия для работы советских станций слежения. Операция была спланирована таким образом, что облет произошел в то время, когда почти вся обратная сторона Луны была освещена солнечным светом и могла быть сфотографирована бортовыми камерами. В таком положении станция, ориентированная на Луну в лучах Солнца, сфотографировала около 30% видимой и 70% никогда ранее не видимой сторон Луны. Имеющаяся информация о видимой стороне была использована для составления карты невидимой стороны. Фотоснимки были проявлены на борту станции «Луна-3» и с помощью телевизионной системы переданы на Землю. В результате был опубликован атлас, представляющий первый взгляд человека на обратную сторону Луны.

В 1959 и 1960 гг. НАСА предпринимало попытки запуска еще пяти более тяжелых АМС «Пионер» с выступающими панелями солнечных элементов. На аппаратах были установлены жидкостные однокомпонентные двигатели на гидразине, предназначенные для торможения с целью выхода на окололунную орбиту. К сожалению, все носители «Атлас-Эйбл» потерпели аварии либо при статических огневых испытаниях, либо при запуске, и полезные грузы были потеряны.

Пятидесятые годы закончились впечатляющими успехами СССР в космосе, оставившими далеко позади все, что было сделано в США. В трех удачных запусках Советским Союзом было послано 1030 кг полезного груза на Луну и в окружающее ее пространство, тогда как США удалось запустить лишь один аппарат массой 6 кг.

Первые АМС «Пионер» обладали весьма ограниченными возможностями. Поэтому в 60-х годах НАСА приступило к совершенно новой программе разработки существенно более крупного стандартизированного космического аппарата, способного выполнить детальные исследования Луны и планет. Эта программа, именуемая «Рейнджер», первоначально предусматривала осуществление пяти полетов: двух испытательных и трех эксплуатационных. Когда высадка человека на Луне стала национальной программой, число полетов было увеличено.

«Рейнджер-1 и -2» были первыми базовыми стандартизированными космическими станциями, предназначенными для технических исследований и измерений в окружающем пространстве на высоких околоземных орбитах. При запусках обоих аппаратов не состоялось повторное включение двигателей верхних ступеней носителей и были достигнуты лишь низкие орбиты с малым временем существования. Тем не менее полеты позволили получить некоторую научную и техническую информацию.

АМС следующей серии были оснащены тормозными двигателями, которые, как полагали, позволят доставить на поверхность Луны сейсмометр, рассчитанный на «жесткую» посадку. После удара при встрече с поверхностью Луны со скоростью до 200 км/ч сейсмометр должен был самостоятельно прийти в рабочее состояние и передавать информацию о сейсмических характеристиках и падении метеоритов в течение последующих 60-90 сут. К сожалению, ракета-носитель аппарата «Рейнджер-3» сообщила ему избыточную скорость, что сделало невозможной встречу с Луной. Однако все системы аппарата оставались в рабочем состоянии, и был проведен большой объем исследований в полете, включая впервые выполненный промежуточный маневр коррекции орбиты. С АМС «Рейнджер-4 и -5» возникли трудности на начальных этапах полетов. С помощью передатчиков, которые были установлены на посадочных капсулах, используемых в качестве маяков, осуществлялось управление аппаратом «Рейнджер-4», обеспечившее его падение на обратную сторону Луны; это была первая американская АМС, достигшая Луны. Управление аппаратом «Рейнджер-5» велось в течение 11 сут, он пролетел на расстоянии 725 км от Луны и вышел на орбиту вокруг Солнца.

После этого был проведен тщательный анализ всех систем аппарата с целью выявления и модернизации элементов, обладающих недостаточной надежностью, а также резервирования наиболее ответственных элементов, чтобы гарантировать успех последующих запусков. Полет АМС «Рейнджер-6» протекал успешно до момента включения съемочной камеры. Впоследствии было установлено, что во время запуска образовалась дуга высокого напряжения, повредившая телевизионную аппаратуру. Аппарат вышел на цель, но не передал ни единого изображения.

Тщательный анализ изображений, полученных с аппаратов «Рейнджер», показал, что «морские» равнины не имеют никаких особенностей, кроме кратеров с ровными краями. Отсутствие валунов, крупных камней и расщелин позволило перейти к следующему этапу изучения Луны - мягкой посадке.

После реконструкции системы в июле 1964 г. был запущен аппарат «Рейнджер-7», полет которого в отличие от предшествующих стал выдающимся успехом: было передано более 4300 высококачественных телевизионных изображений Луны, полученных перед контактом с поверхностью. Последнее изображение, снятое с высоты 1600 м, охватывало площадь 30 X 50 м; на нем были отчетливо видны кратеры диаметром до 1 м. Разрешение этого последнего изображения составляло около 0,4 м.

Полеты аппаратов «Рейнджер-8 и -9» в начале 1965 г. прошли успешно, было передано соответственно 7137 и 5814 телевизионных изображений лунной поверхности. В соответствии с программой полета аппарат «Рейнджер-8» должен был приблизиться к Морю Спокойствия по пологой траектории с углом наклона 42°, чтобы при съемках охватить большую площадь. Даже при значительной боковой составляющей скорости разрешение на последнем изображении было менее 2 м. Наведение аппарата «Рейнджер-9» производилось на кратер Альфонса диаметром 130 км, падение произошло с отклонением в пределах 5 км от расчетной точки, разрешение на последнем снимке достигло 0,3 м.

Советские автоматические межпланетные станции мягкой посадки

Для мягкой посадки полезного груза на Луну требуются точность предыдущих операций и в дополнение к этому гашение конечной скорости, составляющей не менее 2,6 км/с. Посадка с орбиты на Землю сопряжена с меньшими трудностями, поскольку почти вся орбитальная скорость спутника может быть погашена при торможении в атмосфере. При посадке на Луну, не имеющей атмосферы, уменьшение скорости может быть достигнуто только с помощью тормозных двигателей и расхода значительного количества топлива.

В СССР впервые были созданы возможности для осуществления мягкой посадки на Луну с созданием новых станций серии «Луна» в 1963 г. Эти станции массой до 1,8 т были рассчитаны на доставку приборного контейнера массой 100 кг в точку поверхности Луны между 62 и 64° з. д. вблизи экватора. Это была единственная точка на Луне, при приближении к которой траектория полета станции «Луна» становилась почти вертикальной, что упрощало схему управления аппаратом.

Программой предусматривалась следующая типовая операция. После запуска на околоземную промежуточную орбиту станция «Луна» с последней ступенью ракеты-носителя остается на этой орбите на период одного витка до повторного появления над территорией СССР. Затем включается двигатель последней ступени, который переводит аппарат на траекторию полета к Луне длительностью 3,5 сут. На расстоянии около 75 км от Луны радиолокационная установка и астронавигационный блок, которые уже не нужны, сбрасываются и начинается снижение с работающим двигателем. Сферический полезный груз отделяется от двигательного отсека перед самым касанием поверхности, и после его спуска на его верхней полусфере раскрываются четыре лепестковые панели, выставляя антенны и телевизионную камеру.

При запуске станции «Луна-9» в феврале 1966 г. была впервые успешно осуществлена мягкая посадка на Луну объекта, изготовленного руками человека. Подобная башенке автоматическая лунная станция (АЛС) с телевизионной камерой, снабженной механическим приводом сканирования, в течение 75 ч передала с умеренным разрешением несколько панорам окружающей местности и данные по радиации.

Второй советской станцией, совершившей мягкую посадку на Луну в декабре 1966 г., была «Луна-13». После раскрытия четырех защитных панелей были приведены в действие два сложенных механических манипулятора с приборами для исследования грунта. С помощью механического грунтомера на одном манипуляторе и радиационного плотномера - на другом получена уникальная информация о плотности и составе поверхности грунта.

Все остальные АМС «Луна» этого поколения выводились на окололунные орбиты по программам, не предусматривающим посадку.

Для размещения объекта на окололунной орбите требуется изменение его скорости на 1 км/с, тогда как для спуска на лунную поверхность необходимо изменение скорости на 2,6 км/с, т. е. для спутника Луны требуется значительно меньше топлива, чем для аппарата, совершающего посадку. Чтобы не разрабатывать серию лунных спутников новой конструкции, в СССР было принято решение взять за основу двигательную установку лунного посадочного блока, заправлять ее топливом на 2/3 номинального объема и использовать оставшийся объем для увеличения доставляемого полезного груза. Масса полезного груза, доставленного на поверхность Луны «Луной-9», составляла приблизительно 100 кг, тогда как масса первого искусственного спутника Луны, доставленного АМС «Луна-10», составляла 240 кг. Этот аппарат был оснащен приборами для измерения радиации и регистрации микрометеоритов в окололунном пространстве. С первого спутника Луны неоднократно передавалась на Землю мелодия «Интернационала». Спутник «Луна-11» имел приблизительно такой же полезный груз, но его конструкция была усовершенствована исходя из опыта, полученного при эксплуатации станции «Луна-10». Спутники «Луна-12» и «Луна-14» не отделялись от двигательных отсеков после завершения маневров выведения на окололунную орбиту. Не сбрасывались также радиолокационная установка и астронавигационный блок, чтобы обеспечить необходимую астроориентацию аппаратов для съемки и передачи на Землю изображений лунной поверхности.

В рассматриваемый период в СССР был осуществлен еще один полет к Луне. На траекторию пролета мимо Луны в июле 1965 г. была запущена автоматическая межпланетная станция «Зонд-3» с целью получения снимков части обратной стороны Луны, не сфотографированной со станции «Луна-3». Из 28 полученных снимков 25 содержали изображения лунной поверхности, причем три из них - в ультрафиолетовом диапазоне спектра. В целом с помощью аппаратов «Луна-3» и «Зонд-3» были получены изображения, охватывающие 95% площади обратной стороны Луны.