Вернуться к содержанию номера: «Горизонт», № 6(44), 2023.
Тонкое, светлое кольцо многократно замечали и даже фотографировали на темном лимбе молодой Луны. Этот редкий и неожиданный феномен был незаслуженно предан забвению как атрибут ушедшей в прошлое дискуссии о лунной атмосфере. Но именно лунное кольцо способно пролить свет на загадку катастроф космических аппаратов, потерянных в окололунном пространстве. Эта потенциальная угроза грядущим пилотируемым миссиям к Луне делает актуальной задачей патрулирование и изучение кольцевой Луны*, вполне доступной любителям астрономии.
Культурный след
Раскопки в домашней библиотеке привели к загадочному кольцу вокруг лунного серпа, изображенному на паре древнеперсидских печатей (рис. 1) в пионерском труде Остина Лейарда «Открытия на руинах Ниневии и Вавилона» (Лондон, 1853 г.)1. Другой авторитет археологии, Гастон Масперо, интерпретировал находку Лейарда именно как кольцо света вокруг серпа Луны (рис. 2)2.
В Древнем Риме были популярны обереги-подвески в виде лунных серпов (т. н. lunula). Некоторые из них были выполнены практически в виде кольца (рис. 3). Лунное кольцо встречается и в современном искусстве как Запада, так и Востока (рис. 4), отражая древнюю традицию. Основой этой традиции был некий небесный феномен, о котором умалчивает научно-популярная литература.
Забытая история наблюдений
Первое сообщение о наблюдении лунного кольца появилось в газете «Английский механик» от 18 января 1867 года4. Мистер Бикердайк вопрошал научного эксперта о природе «четко очерченного освещенного кольцевого пространства (annular space)» на периферии темной стороны 4-суточной Луны (рис. 5), которое он увидел невооруженным глазом 3 января 1867 года.
По-видимому, не только мистер Бикердайк заметил кольцевую Луну, так как в английском журнале «Кноледж» («знание») от 8 сентября 1882 года появился призыв «обратить внимание наблюдателей невооруженным глазом на полоску слабого освещения, которая во время новой Луны видна вдоль внешнего края темной (стороны) Луны, что вдоль лимба…»5. Автор заметки, мистер Раньярд, уверял, что сам видел эту полоску вместе с авторитетом селенологии того времени Томасом Уэббом. Рисунок 6 показывает оригинал гравюры кольцевой Луны из той публикации.
Менее чем через год было опубликовано сообщение мистера Хопкинса о наблюдении им 7 ноября 1882 года равномерно яркой «линии» света вокруг темной стороны молодой Луны6. Он же 12 марта 1883 видел аналогичную желтоватую «линию света» вокруг темной стороны и старой Луны. Упомянутые публикации Раньярда и Хопкинса вышли под заголовками «Имеет ли Луна атмосферу?». Но уже тогда у селенологов были большие сомнения в существовании лунной атмосферы, достаточно плотной, чтобы создать светлое кольцо аналогично Венере. Поэтому очень редкие наблюдения кольцевой Луны оставались вне научной дискуссии.
И все же феномен лунного кольца был вновь замечен 20.07.1950 профессором Вальтером Хаасом, основателем и директором Американской ассоциации наблюдателей Луны и планет (ALPO). В 6-дюймовый рефлектор у лунного серпа возрастом 4 дня и 22 часа «он видел, как темный (восточный) лимб был ярче на всем своем протяжении вокруг Луны в полосе шириной, вероятно, 2 угловые секунды»7. По словам самого Хааса, «этот ободок становится ярче возле каждого рога (лунного серпа); в этом смысле каждый рог вытянут примерно на 12 градусов, причем южный — более отчетливо»7.
Кольцевую Луну в июле — августе 1950 года несколько раз наблюдал и другой член ALPO, Дж. К. Бартлетт-младший. «Временами Бартлетт находил сияние одинаково ярким по всему лимбу; в других случаях он различал одну или две более яркие дуги»7. Например, 22 июля в 2 часа 10 минут по всемирному времени Бартлетт сразу увидел сияние восточного лимба, когда возраст Луны составлял 6 дней 21 час, хотя в следующую ночь его (сияние) не удалось различить вовсе.
Повышенная яркость лимба темной стороны Луны была замечена в Японии еще 20 и 21 января 1950 года. Так, наблюдатели Т. Саэки и С. Мураяма заметили тогда на восточном лимбе лунного диска «несколько более ярких пятен»8. С 19 по 21 февраля Саэки и Мураяма снова видели то же самое. 20 и 21 марта около дюжины японских наблюдателей Марса «полностью подтвердили» это свечение лимба во время встречи в обсерватории Танаками. Они использовали как рефлекторы, так и рефракторы различной апертуры от 2 дюймов до 18 дюймов. В своем письме от 6 апреля 1950 года, направленном в ALPO, Саэки выразил мнение, что нет никаких сомнений в существовании этого свечения9. Цвет феномена описывался то как «бледно-голубой», то как желтоватый.
Последним отголоском наблюдений кольцевой Луны в 1950 году, по-видимому, является рисунок феномена, опубликованный в книге Перси Уилкинса «Наша Луна» (Лондон, 1953 г.)10 и воспроизведенный здесь как рис. 7. Там показана узкая светлая полоска, проходящая по краю темной части лунного диска. С тех пор о кольцевой Луне как бы забыли.
Однако в 2017 году на Европейском конгрессе по планетологии (European Planetary Science Congress — EPSC) были опубликованы три цветных видеокадра, на которых молодая Луна выглядит светлым кольцом (рис. 8)11. Изображение слева было получено в 2006 году в турецком городе Кула. Остальные снимки были сделаны в городе Вейденбах (Германия) в 2008 и 2011 годах. Видимое удаление Луны от солнца тогда составляло соответственно 17, 19 и 11 градусов. Автор сообщения связывает обнаруженные кольца света вокруг молодой Луны с глобальным облаком заряженной лунной пыли, левитирующей под действием кулоновской силы отталкивания от одноименно заряженной лунной поверхности.
К сожалению, эта публикация сенсационных снимков, документально подтверждающих реальность феномена кольцевой Луны, осталась как бы не замеченной ни специалистами, ни общественностью…
Физика феномена
Еще в 1956 году американский физик Гарри Стаббс высказал предположение, что над лунной поверхностью могут парить облака пыли, которая имеет достаточный электрический заряд под действием солнечного ветра и ультрафиолетового излучения. Такая пыль отталкивается от одноименно заряженной лунной поверхности и может заметно поглощать или рассеивать свет12. Эта догадка блестяще подтвердилась уже через полтора десятилетия.
Космические зонды серии «Сервейор» (5-й, 6-й и 7-й), совершавшие мягкие посадки на Луну, зарегистрировали после солнечных заходов линию света, тянувшуюся вдоль лунного горизонта. Было выяснено, что это свечение у лимба Луны является солнечным светом, рассеянным частицами пыли поперечником порядка 10 микрон, которые образовывали временное облако, существовавшее до 3 часов в области терминатора13. Феномен лунных зорь был подтвержден астронавтами, облетавшими Луну14. Анализ их зарисовок и фотоснимков показал, что мелкая лунная пыль (порядка долей микрометра поперечником) достигала высот более 100 км и имела массу около 10 кг на квадратный километр15. Фотометр «Лунохода-2» также зарегистрировал феномен «лунных сумерек», вызванных рассеянием солнечного света пылью на высотах более полукилометра15. Кроме светлой полосы на ночном лунном горизонте (лимба), астронавты описали «стримеры» — светлые полосы на лунном небе, быстро изменявшиеся за несколько минут14.
Однако более поздние миссии «Клементина» и «Lunar Reconnaissance Orbiter» обнаружили, что концентрация лунной пыли над поверхностью спутника оказалась в 10 тысяч раз меньше, чем следовало из данных «Аполлонов» рубежа 1960—70-х годов. Наконец, в 2013 году на окололунную орбиту был выведен специализированный спутник под названием «Исследователь лунной атмосферы и пылевой среды» (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer — LADEE). На высоте всего 75 км счетчиком пылинок были зарегистрированы 5 облаков пыли, которые располагались около терминатора и имели плотность, сравнимую с измерениями «Аполлонов». Анализ данных позволил сделать вывод, что «так называемая пылевая экзосфера — это не глобальное явление, а просто локальный фонтан наэлектризованной пыли возле кратеров в области сумерек»16. Однако забытые наблюдения кольцевой Луны противоречат этому выводу и свидетельствуют о появлении иногда именно глобального пылевого облака над Луной.
Из архива наблюдений покрытий звезд Луною (17) автору удалось извлечь ценную информацию о пылевых облаках нашего спутника. Этот архив охватывает полмиллиона покрытий, наблюдавшихся с 1623 до конца 2021 года, в основном членами Международной ассоциации регистраторов времени покрытий (Iota). Обычно звезда покрывается Луной или появляется из-за нее практически мгновенно, за сотые доли секунды. Но изредка, в одном случае из тысячи, свет звезды гас (или разгорался) постепенно, за ощутимое время от 0,1 до 8,6 секунд. За это время Луна успевает сместиться на километры по своей орбите, делая возможной оценку высоты H верхней границы пылевого слоя над поверхностью спутника.
Рисунок 9 показывает полученные автором оценки H для разных мест преимущественно на ночном лимбе Луны, где легче наблюдать покрытия. Хорошо видно, что оптически толстые части пылевых облаков располагаются на высотах ниже 8 км.
Как известно, поток излучения F, выходящий из поглощающей среды, экспоненциально зависит от ее оптической глубины τ:F=Foexp(–τ), где Fo — это исходный поток излучения18. Для грубых оценок легко заметной оптической глубины можно использовать приближение однородного слоя и малой длины волны: τ=Lnd2=1, где L=2[(R+H)2–R2]1/2 — длина пути звездного света в пылевой оболочке Луны толщиной H<8 км и радиусом кривизны R=1737 км (это радиус Луны); n — средняя концентрация пыли; d=1 мкм — характерный размер пылинки. Отсюда можно оценить концентрацию пыли: n=1/(Ld2)>3 см–3.
Оценим толщину пылевого облака, необходимого для появления кольцевой Луны. Для этого рассмотрим ход лучей в области лунной поверхности, равноудаленной от рогов лунного серпа (рис. 10).
Зная видимое угловое расстояние Луны от Солнца (beta), из прямоугольного треугольника ABO находим гипотенузу OA, которая позволяет найти минимальную высоту освещенного пылевого облака, необходимую для замыкания кольца света вокруг темного лимба Луны: H>OA–R=R[sec(beta/2) –1]. Тогда для кольцевой Луны на рис. 8 получается: H>19, 24 и 8 км (соответственно для изображений слева направо). Однако для феномена, увиденного Бикердайком 3 января 1867 года, получается H>62 км, а для кольца Хааса 20.07.1950 даже H>267 км.
Космическая опасность
Полученные оценки внушают опасение за безопасность космических полетов в окололунном пространстве. Действительно, космические аппараты на низких селеноцентрических орбитах движутся со скоростью V=1,68 км/c. Соответственно, за время t космический аппарат с площадью сечения S столкнется с nSVt пылинками, несущими кинетическую энергию ε=0,5*rho*nSt(dV)3. Если принять типичные для Луны значения плотности (rho=3 г/см3) и характерного размера пылинки (d=1 мкм), а также сделанную выше оценку концентрации пыли n>3 см–3, то при сечении аппарата S=1 м2 получим скорость притока энергии, то есть мощность W=ε/t>21,3 Вт. Этой тормозящей мощности было бы достаточно, чтобы вызвать падение аппарата с высоты h круговой селеноцентрической орбиты на поверхность Луны за время t<mgh/W, где g= 1,622 м/с2 — ускорение свободного падения на Луне, а высота орбиты в облаке пыли h=H<8 км (по результатам покрытий звезд пылевыми облаками Луны). При плотности аппарата rhoa=0,1 г/см3 (например, как у миссий Vikram или Beresheet) его масса составляла бы m=rhoa S3/2=100 кг, а время падения на Луну было бы t<17 часов. Возможны и другие негативные пылевые эффекты: потеря космическим аппаратом ориентации и даже разгерметизация.
Особенная важность феномена кольцевой Луны заключается в том, что такие явления означают появление глобальных, плотных облаков лунной пыли, которые угрожают космическим миссиям на высотах в десятки, если не в сотни километров.
Космическая хроника пестрит сообщениями о неудачах лунных миссий. Вот лишь наиболее свежие из них.
11.04.2019 израильский аппарат Beresheet снизился до 15 км перед мягкой посадкой на Луну. Но во время торможения внезапно что-то вывело из строя его гироскоп, была временно потеряна связь со спускаемым аппаратом, остановился двигатель, и аппарат рухнул на Луну.
06.09.2019 при попытке прилунения разбился индийский луноход Vikram. При снижении на высоте 2,1 км аппарат неожиданно отклонился от намеченной траектории. Это отклонение от номинального снижения скорости вышло за рамки расчетных параметров бортового программного обеспечения, в результате чего аппарат жестко приземлился.
Журнал Cosmos сообщил 12 декабря 2022 года о том, что из десятка миниспутников (CubeSats), запущенных к Луне в ходе миссии Артемис 1, 40% были утрачены19.
На ближайшие годы запланирован всплеск активности в окололунном пространстве (6 пилотируемых и 34 автоматические миссии, плюс еще 14 проектов с проблемным финансированием)20. Поэтому тема угрозы космической безопасности со стороны пылевых облаков Луны выглядит весьма актуальной.
Уроки истории
Как видим, игнорирование редких сообщений о наблюдениях неожиданных астрономических феноменов не так безобидно, как представлялось до сих пор. И если специалисты не спешат тратить время на аномальные явления, вроде редкой кольцевой Луны, то брешь могут закрыть любители астрономии. Общедоступность цифровых камер и забытые прецеденты придают смысл патрулированию серпа очень молодой или очень старой Луны. Возможно, и вам удастся сфотографировать Луну в виде кольца и тем внести свой вклад в науку о непознанном.
Ссылки
1. Layard A. H. Discoveries in the ruins of Nineveh and Babylon. London: J. Murray, 1853, p. 607.
2. Maspero G. History of Egypt, Chaldea, Syria, and Assyria. Vol. 3. London: Grolier, 1918, p. 141.
3. https://en.wikipedia.org/wiki/File:Roman_-_Necklace_with_%22Lunula%22_-_Walters_57525_-_Detail.jpg
4. Bickerdike. The Moon // English Mechanic, 18.01.1867, vol. 4, No. 95, p. 277.
5. Ranyard. Has the Moon an atmosphere? // Knowledge, 08.09.1882, vol. 2, No. 45, pp. 246—247.
6. Hopkins B. J. Has the Moon an atmosphere? // The Astronomical Register, June 1883, vol. 21, No. 246, pp. 140—141.
7. (Haas W. H.) Some observations and some comments // The Strolling Astronomer, October 1, 1950, vol. 4, No. 10, pp. 8—9.
8. (Haas W. H.) The Moon and Saturn // The Strolling Astronomer, April 1950, vol. 4, No. 4, p. 7.
9. (Haas W. H.) Some lunar affairs // The Strolling Astronomer, May 1950, Vol. 4, No. 5, p. 9—11 (cit. 10).
10. Wilkins P. H. Our Moon. London: F. Muller, 1954, p. 52.
11. Hoffmann M. Earth-based detection of levitated lunar dust // EPSC Abstracts, 2017, vol. 11, EPSC2017-1014.
12. (Haas W. H.) Concerning possible charged lunar dust particles // The Strolling Astronomer, November-December 1955, vol. 9, No. 11—12, p. 142.
13. Rennilson J. J., Criswell D. R. Surveyor observations of lunar horizon-glow // The Moon, 1974, vol. 10, pp. 121—142.
14. McCoy J. E. Evidence for a high altitude distribution of lunar dust // Geochimica et Cosmochimica Acta, 1974, suppl. 5, vol. 3, pp. 2991—3005.
15. McCoy J. E. Photometric studies of light scattering above the lunar terminator from Apollo solar corona photography // Proc. Lunar Sci. Conf. 7th, 1976, pp. 1087—1112.
16. Lianghai X. et al. Lunar dust fountain observed near twilight craters // Geophysical Research Letters, 2020, vol. 47, No. 23, e89593.
17. Herald D., Gault D., International Occultation Timing Association (Iota). Lunar Occultation Archive // VizieR On-line Data Catalog: VI/132C, July 2022.
18. https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_depth
19. https://cosmosmagazine.com/space/artemis-cubesats-thrived-or-died/
20. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_missions_to_the_Moon
* Термин предложен автором ввиду отсутствия такового в литературе.
Astra Nova 
