Через четыре месяца после старта пара зондов GRAIL ( Gravity Recovery and Interior Laboratory - Реконструкция гравитационных полей и изучение их детальной структуры ) наконец то добрались до Луны. Утром 2 января 2012 года два космических аппарата NASA GRAIL-A и GRAIL-B вышли на орбиту Луны. Их цель - составить самую подробную на сегодняшний день карту 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...

На фото: Здесь показана схема работы зондов GRAIL. Причем, Луна на ней почему то повернулась к Земле своим "задом". Интересно, что бы произошло, - случись это на самом деле.

В марте 2002 года в космос была запущена другая подобная миссия - GRACE, которая является прародителем GRAIL. Земной гравитационный зонд исправно работает и сейчас. GRACE также состоит из пары космических аппаратов, которые движутся друг за другом по общей круговой полярной 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.

Начальная околополярная орбита зондов имеет эллиптическую форму с высотой от 90 до ~8 360 км, а один полный оборот вокруг Луны они совершают примерно за 11,5 часа. Сначала на такую траекторию движения перешёл GRAIL-A, чей манёвр закончился 1 января в 02:00 мск.

Каждый из зондов также оснащён небольшой камерой MoonKAM, передающей снимки не самого высокого качества. Её работой будут управлять не сотрудники НАСА, а простые школьники, которые смогут выбирать конкретное время и место съёмки, следить за выполнением своей заявки на сайте MoonKAM и просматривать подготовленные фотографии лунной поверхности.

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.

«Новые спутники смогут в 100 раз повысить точность измерения силы гравитации на видимой стороне и в 1000 раз – на обратной стороне Луны», – заявил научный директор миссии GRAIL доктор Роберт Фогель.

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 55 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-Солнце.

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, удаленной 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 10 сентября 2011 года "Дельта II" с парой аппаратов на борту наконец стартовала, а на следующий день покинула околоземную орбиту и отправилась к Луне.

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 лунную поверхность. 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 лунной миссией?

На фото: Зонды GRAIL с низкой окололунной орбиты соберут объемную базу данных для создания самой детальной тепловой и гравитационной карты. При этом, гравитационная форма Луны ( как и Земли ) должна быть достаточно асимметричной и неоднородной.

GRAIL запущен в рамках целой серии миссий по изучению Луны. Ученые хотят объединить данные аппарата вместе с уже 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 имеются ). Американские зонды попытаются установить наличие на Луне ценных редкоземельных металлов. В случае обнаружения таких месторождений встанет вопрос об их освоении. Эти данные также будут играть важную роль в решении вопроса о выборе мест для создания первых промышленных баз на Луне в ближайшие 10-20 лет.

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 её геологическая структура. В частности, данные помогут получить некоторые ограничения на строение лунного ядра - вопрос, который не дает покоя многим ученым.

Данные аппаратов GRAIL помогут ученым объяснить и непонятные на данный момент различия видимой и обратной сторон Луны, а именно, их рельефа и состава лунных пород. На видимом с Земли лунном полушарии присутствуют огромные лавовые равнины, получившие названия «моря», а на обратной стороне Луны таких образований почти нет, но намного больше возвышенностей и скалистых долин.

Четкой теории объясняющией столь сильное различие рельефа двух полушарий пока нет, но уже существует несколько достаточно обоснованных гипотез. Согласно одной из них, после столкновения Земли с Тейей (небесное тело размером примерно с Марс, которое оказалось на тесной орбите вокруг молодого Солнца с нашей прото-Землей) образовались две луны, которые затем слились. В результате этого лунного катаклизма и образовался настолько неоднородный рельеф. Если все было именно так, то плотности разных половин Луны должны заметно отличаться - это явственно проявится на данных GRAIL.

Еще одна задача миссии состоит в том, чтобы лучше понять происхождение не только самой Луны, но и вообще планет земного типа (состоящих из каменных, скалистых пород, а не являющихся газовыми гигантами) в Солнечной системе. Программа GRAIL стала уже 110-м по счету научным предприятием по изучению Луны, начиная с 1959 года. В это число входят и шесть высадок американских астронавтов на поверхность спутника Земли.