...гравитационного поля земного спутника. В марте 2012 года начнется 90-дневная научная миссия, после которой аппараты сведут с их орбит и они упадут на лунную поверхность.

Том и Джерри из GRACE

В марте 2002 года в космос была запущена миссия GRACE, которая является прародителем GRAIL. Она состоит (зонды исправно функционируют и сейчас) из пары космических аппаратов, которые движутся друг за другом по общей круговой полярной орбите – то есть орбите с наклонением 90 градусов. Такие орбиты удобны для сбора данных о Земле, поскольку при подходящем периоде вращения аппарат с каждым витком проходит над новым участком земной поверхности. Как это выглядит, можно посмотреть здесь.

Аппараты движутся на фиксированном расстоянии друг от друга – 220 километров. Высота орбиты при этом составляет 500 километров. При помощи микроволнового лазерного луча аппараты измеряют расстояние друг между другом с удивительной точностью (система способна регистрировать изменение расстояния порядка 10 микрометров – это десятая часть толщины человеческого волоса).

Когда аппараты проходят некоторую гравитационную неоднородность (например, регион, где поле очень сильное), это приводит к изменению характера их движения – например, сначала первый попавший в аномалию аппарат "тянет" чуть сильнее и расстояние между спутниками увеличивается. Когда же аномалию проходит второй аппарат, то ускоряется уже он и расстояние между аппаратами (прозванными создателями Томом и Джерри) уменьшается.

Для определения подобных колебаний и нужна сверхвысокая точность измерения расстояний вкупе с точным позиционированием самих аппаратов. За день спутники облетают Землю 15 раз. Благодаря этому они способны регистрировать вариации в гравитационном поле Земли.

Миссия GRAIL

Миссия GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory – Восстановление гравитации и внутренняя лаборатория) устроена аналогично - два спутника движутся друг за другом по полярной орбите на расстоянии 200 километров. На первый взгляд кажется, что ситуация с Луной проще – здесь нет океанов и ледников, поэтому динамически гравитационное поле если и меняется, то только из-за метеоритных осадков. В частности, например, именно поэтому планируется, что аппараты будут работать всего три месяца, а не годы.

Это, однако, ошибочное впечатление - разница между миссиями колоссальная. Луна много меньше Земли, поэтому для получения достойного разрешения аппараты должны двигаться по орбите на высоте всего 50 километров. Кроме этого сама орбита должна быть очень точно рассчитана. Из-за необходимости точно разместить зонды, их пришлось отправить к земному спутнику по довольно сложной траектории вокруг первой лагранжевой точки системы Земля-Солнца.

Еще одной серьезной технической задачей, которую удалось решить конструкторам, стала система сверхточного измерения местоположения аппаратов. Надо понимать, что, в отличие от парочки GRACE, которая располагалась на расстоянии "всего" 500 километров над Землей, GRAIL будет вращаться вокруг Луны, которая удалена от нас на 384 тысячи километров.

Хитрая траектория позволила аппаратам заметно сэкономить топливо, однако сам полет к Луне занял четыре месяца, а не несколько дней, как в случае с "Аполлонами". Стартовое окно – промежуток времени, когда у аппаратов есть возможность выйти на расчетную орбиту – составляло всего одну секунду. Старт несколько раз откладывался, но в конце концов "Дельта II" с парой аппаратов на борту смогла отправиться в космос 9 сентября 2011 года.

На орбиту Луны спутники прибыли с разницей в 24 часа 1 и 2 января 2012 года. До марта аппараты будут калибровать орбиты, приближая их к круговой. Официально научная часть миссии продлится 90 дней, за которые зонды соберут максимально подробную информацию о гравитационном поле земного спутника. После этого аппараты сведут с орбиты, и через несколько дней они упадут на земной спутник.

Зачем это надо?

На основании данных, собранных GRACE, ученые восстанавливают изменение распределения массы Земли в зависимости от различных процессов, включая, например, глобальное потепление. Какие цели стоят перед новой миссией?

GRAIL запущен в рамках целой серии миссий по изучению земного спутника. Например, ученые используют данные аппарата вместе с собранными Lunar Reconnaissance Orbiter. Изучив массив информации, собранный обоими аппаратами, ученые надеются, среди прочего, получить информацию о геологии верхних слоев Луны. В частности, спектральный анализ вместе с данными гравитационных наблюдений поможет, в теории, обнаружить залежи полезных ископаемых (если таковые вообще имеются). Эти данные могут сыграть ключевую роль в решении вопроса о создании перманентной базы на земном спутнике.

Также новые данные помогут ответить на фундаментальные вопросы, касающиеся формирования тел Солнечной системы. Новая информация поможет пролить свет на то, как Луна развивалась и эволюционировала. В частности, данные помогут получить некоторые ограничения на строение лунного ядра – вопрос, которые не дает покоя многим ученым.

Кроме этого, известно, например, что две стороны Луны устроены совершенно по-разному. С той стороны, которая обращена к Земле, тон рельефу (помимо, разумеется, кратеров) задают лавовые равнины. В свою очередь, обратная сторона земного спутника покрыта горами и долинами. Удовлетворительного объяснения столь яркому различию рельефов у ученых пока нет, хотя на этот счет и существуют несколько гипотез.

Согласно одной из них, после столкновения Земли с Тейей (считается, что земной спутник образовался в результате столкновения нашей планеты с небесным телом размером с Марс, которое оказалось на одной с нашей Землей орбите вокруг Солнца) образовались две луны, которые потом "слиплись". Если все было именно так, то плотности разных половинок Луны должны заметно отличаться – это явственно проявится на данных GRAIL.