В апреле 2010 года в обсерватории Апачи-Пойнт, расположенной в Нью-Мексико, произошло событие, которое вполне могло бы остаться незамеченным для широкой публики, но для специалистов стало настоящей сенсацией. Телескоп с зеркалом диаметром три с половиной метра отправил серию лазерных импульсов в сторону нашего естественного спутника, нацелившись в район, где с 1971 года находился советский аппарат «Луноход-1». Ответ пришёл практически мгновенно и оказался настолько мощным, что исследователи впоследствии описывали его как удивительно яркий. Так завершилась одна из самых необычных историй в практике лазерной локации Луны: аппарат физически никуда не исчезал, но более тридцати лет его отражатель оставался недосягаемым для точных измерений.
Французская оптика на советской платформе
Чтобы понять значение этого возвращения, стоит вернуться к началу 1970-х годов. В ноябре 1970 года станция «Луна-17» совершила посадку в Море Дождей и доставила на поверхность первый в мире дистанционно управляемый планетоход. На его борту находился лазерный отражатель, изготовленный французскими специалистами. Конструкция состояла из четырнадцати уголковых призм с треугольными гранями размером около одиннадцати сантиметров каждая. Принцип работы такого устройства напоминает обычный велосипедный катафот: падающий свет возвращается строго в направлении источника. Если послать с Земли лазерный импульс и зафиксировать отражённый сигнал, можно с высокой точностью вычислить расстояние до Луны, основываясь на времени, которое свет затрачивает на путь туда и обратно.
Первый подобный отражатель появился на Луне годом ранее — его оставили астронавты миссии «Аполлон-11» в июле 1969 года. Американские устройства, установленные в рамках программ «Аполлон-11» и «Аполлон-14», содержали по сто небольших призм диаметром менее четырёх сантиметров. Советско-французский образец отличался иным подходом: вместо множества маленьких элементов использовались четырнадцать крупных. Это различие в конструкции впоследствии сыграло важную роль в судьбе отражателя.
Первые сеансы связи прошли успешно. Уже в декабре 1970 года, во время первой лунной ночи, советские и французские станции получили отражённый сигнал. В феврале 1971 года эксперимент повторили. Однако последний сеанс связи с самим луноходом состоялся 14 сентября 1971 года, а официальное завершение программы было объявлено 4 октября. К тому моменту аппарат проработал одиннадцать лунных дней, что соответствует примерно 322 земным суткам.
Потеря точности как форма исчезновения
Мне кажется важным подчеркнуть один парадоксальный момент: результаты первых измерений так и не были опубликованы в открытой научной литературе. К 2010 году эти данные оставались недоступными для исследователей, и в профессиональной среде отражатель «Лунохода-1» стали называть «фактически потерянным». Речь шла не о физической утрате аппарата, а о невозможности использовать его для точных измерений.
Проблема заключалась в точности координат. Положение лунохода было известно с погрешностью около пяти километров. Для составления обычных карт такая точность вполне приемлема, но для лазерной локации она катастрофически мала. Установка APOLLO, о которой я расскажу подробнее, ожидает возвращения отражённого сигнала в очень узком временном интервале. Это необходимо для подавления фонового шума. В пересчёте на лунную поверхность такое временное окно соответствует полосе шириной всего около двадцати метров. Попытка найти двадцатиметровую цель в районе размером несколько километров без точных координат напоминает поиск иголки в стоге сена, только в темноте и с фонариком, луч которого уже, чем сам стог.
Американская обсерватория Макдональд предпринимала попытки обнаружить отражатель. По некоторым данным, исследователи пару раз фиксировали слабые проблески, но установить точное положение так и не смогли. Советский физик Ю. Л. Кокурин упоминал в 1975 году, что отражатель удалось снова наблюдать в мае 1974 года, однако подробных данных и подтверждений не сохранилось. Со временем интерес к поискам угас ещё и потому, что на Луне появились другие отражатели с хорошо известными координатами — «Аполлон-14», «Аполлон-15» и «Луноход-2». Тратить дорогостоящее телескопное время на поиски объекта с неопределённым положением стало трудно оправдать.
Снимок, который вернул надежду
Ситуация изменилась в марте 2010 года благодаря аппарату Lunar Reconnaissance Orbiter. Его камера LROC сфотографировала район посадки «Луны-17» с высоким разрешением. На снимке отчётливо видны посадочная ступень, сам луноход и следы его колёс. Координаты удалось определить с погрешностью около ста метров, и выяснилось, что прежняя оценка местоположения отклонялась почти на пять километров. Лазерный высотомер того же орбитального аппарата уточнил высоту точки с погрешностью менее пяти метров.
18 марта 2010 года о новых снимках узнал физик Том Мерфи из Калифорнийского университета в Сан-Диего, руководитель проекта APOLLO на телескопе Апачи-Пойнт. Команда предприняла несколько попыток в конце марта, но условия наблюдения оказались неблагоприятными. Первая удобная ночь наступила 22 апреля. Я нахожу символичным, что сигнал пришёл сразу же, но с задержкой на 270 наносекунд относительно расчётного времени. Это расхождение указывало на то, что реальное положение отражателя всё ещё отличалось от предсказанного, но уже в пределах досягаемости.
За серию из десяти тысяч лазерных импульсов команда зарегистрировала 1916 вернувшихся фотонов. Для сравнения: от большого отражателя «Аполлона-15» в ту же ночь получили 2040 фотонов, но за вдвое меньшее число импульсов — пять тысяч. Постепенно положение отражателя «Лунохода-1» удалось определить с точностью до нескольких сантиметров.
Неожиданное превосходство над близнецом
Самое интересное открытие ждало исследователей впереди. У отражателя «Лунохода-1» есть практически идентичный близнец, установленный на «Луноходе-2». Физики регулярно использовали второй отражатель, но его сигнал всегда был слабым. По данным 2010 года, он давал примерно десятую долю того, что возвращает «Аполлон-15», и, судя по всему, деградировал сильнее остальных лунных отражателей.
«Потерянный» отражатель оказался в значительно лучшей форме. Оценки его эффективности различаются: в пресс-релизе университета весной 2010 года говорилось о сигнале «как минимум в пять раз» ярче, чем у «Лунохода-2», а в научной статье 2011 года — примерно в четыре раза, когда оба отражателя находятся в темноте. Ещё более примечательно то, что отражатель «Лунохода-1» продолжает работать и лунным днём, когда на него светит Солнце. С «Луноходом-2» в таких условиях добиться отражения не удаётся. Авторы исследования в 2011 году называли это различие необъяснённым, что добавляет истории дополнительную интригу.
Зачем физикам ещё одна точка на Луне
Лазерная локация Луны — один из самых точных инструментов проверки теории гравитации. По форме лунной орбиты проверяют принцип эквивалентности и постоянство гравитационной постоянной. Кроме того, этот метод помогает изучать внутреннее строение Луны. Но для корректной интерпретации данных необходимо точно знать, как Луна ориентирована в пространстве. Наш спутник слегка «покачивается» относительно Земли — это явление называют либрациями.
Чем ближе отражатель к краю видимого диска, тем сильнее он реагирует на такие покачивания. «Луноход-1» находится примерно в 50 градусах от линии Земля — Луна, что делает его ближайшим к краю диска среди всех пяти лунных отражателей. Благодаря этому он примерно вдвое чувствительнее к либрациям, чем любой из отражателей «Аполлонов». Том Мерфи в 2010 году отмечал, что именно такое положение даст лучшие возможности для понимания жидкого ядра Луны. Важно подчеркнуть: это было ожидание учёного, а не уже полученный результат. Дальнейшие исследования должны были подтвердить или опровергнуть эту гипотезу.
Что на самом деле потерялось
Эту историю иногда пересказывают в упрощённом виде: «нашли пропавший луноход через 40 лет». Я считаю такую формулировку неточной. Сам аппарат никуда не исчезал. Район его стоянки в Море Дождей был известен с точностью до нескольких километров. Потерялась возможность им пользоваться — точно прицелиться лазером в небольшой отражатель, чтобы получить отражённый сигнал.
Продолжительность «молчания» также зависит от того, каким источникам доверять. Мерфи в 2010 году говорил о почти сорока годах тишины. В научной статье формулировка более осторожная: однозначные отражения получены впервые более чем за три десятилетия. Сегодня «Луноход-1» стоит там же, где остановился в 1971 году, — около 38 градусов северной широты. И с 2010 года он снова отвечает на лазерные импульсы с Земли, став полноценной точкой опоры для самых точных измерений в системе Земля — Луна.