3 декабря исполняется 70 лет Игорю Георгиевичу Митрофанову — одному из ведущих ученых в области ядерной планетологии, научному руководителю многочисленных экспериментов по поиску водяного льда и исследованию грунта Марса, Луны, Меркурия, руководителю научной программы миссий «Луна-25» и «Луна-27». Именно Луне был посвящён «юбилейный» семинар, на котором Игорь Георгиевич выступил с докладом «Луна: прошлое, настоящее, будущее».

«Вчера» в исследованиях Луны отсчитывается примерно с того же времени, что и запуск Первого спутника: станция «Луна-1» совершила пролёт вблизи Луны в 1959 году. Темп исследований был очень высок, так что в 1967 году в журнале «Техника —молодёжи» Мстислав Келдыш, президент Академии наук, писал: «На повестке дня — освоение ближайшей к нам планеты, загадочной Луны».

Сегодня эти слова справедливы в той же мере, несмотря на успехи лунных программ США и СССР в 1960–70-х годах. «Героическая эпоха подготовила нас к тому, что мы делаем и продолжаем делать сегодня», — так Игорь Митрофанов подвёл итог краткого обзора истории.

Для самого Игоря Георгиевича, и его команды — вначале лаборатории, а потом отдела, — ведущим направлением стала ядерная планетология, изучение других планет с помощью методов ядерной физики.

Эти методы основаны на наблюдениях последствий ядерных реакций, которые постоянно происходят в грунте планет под действием частиц космических лучей. В ходе этих реакций, иногда весьма сложных, происходит испускание гамма-лучей и нейтронов различных энергий. Кроме этого, гамма-кванты испускают и радиоактивные элементы: калий, уран, торий, которые присутствуют в грунте.

Таким образом, чтобы исследовать состав поверхности, необходимо регистрировать гамма-излучение и поток нейтронов, приходящие от неё. Если у небесного тела нет атмосферы (как на Луне или Меркурии) или она очень слабая (как на Марсе), то эти исследования можно проводить с орбиты.

Первые гамма-спектрометры работали на советских аппаратах «Луна-10» и «Луна-12» (1966 г.), в рамках программы «Аполлон» (США). В СССР эту тему вели сотрудники Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского под руководством Ю.А. Суркова и А.П. Виноградова. Для Игоря Георгиевича участие в ядерно-физических экспериментах у других планет началось с проекта «Фобос-2» (1988–1989 гг.), который, хотя и не выполнил свои задачи полностью, но наблюдал Марс с его орбиты и дал много интересных данных, в том числе, о гамма-спектрах поверхности планеты.

К Луне в 1980-е годы миссий не было. В 1994 г. аппарат Clementine (США) исследовал её с орбиты, но только в 1998 г. гамма-спектрометр был установлен на аппарате Lunar Prospector (США). «Это был небольшой проект, но он открыл перед человечеством «новую Луну», — Луну XXI века, гораздо более интересную, чем было принято думать после первых экспедиций».

Главное отличие «новой Луны» — доказано, что в её грунте содержится некоторое количество воды.

Вообще, уже К.Э. Циолковский предполагал, что на Луне может быть вода. Но в экваториальных областях Луны, где садились «Луны» и «Аполлоны» её почти нет, поэтому с 1970-х годов более или менее подтверждённым считалось, что Луна — «сухое» небесное тело. Впрочем, анализ грунта «Луны-24» в 1976 г. показал наличие воды в концентрации 0,1%, но тогда это сочли земным загрязнением, и только в свете последних открытий стало понятно, что это не так.

Первый лунный эксперимент лаборатории ядерной планетологии под руководством Игоря Митрофанова — нейтронный телескоп ЛЕНД на борту аппарата LRO (США). Запуск миссии произошёл в 2009 г. К этому времени лаборатория уже показала замечательный результат у Марса: нейтронный детектор, сделанный в ИКИ, показал наличие водорода и воды в грунте Марса и на его полюсах, были построены детальные карты её распределения.

Но в проекте LRO задача была сложнее — требовалось не только зарегистрировать нейтронные потоки от поверхности Луны, но и сделать это с очень хорошим пространственным разрешением. Поэтому ЛЕНД из просто детектора превратился в нейтронный телескоп — датчики нейтронов были спрятаны внутри коллиматора. Его толстые стенки, заполненные полиэтиленом и бором-10, не пропускают нейтроны, пришедшие не из поля зрения.

С 2009 года ЛЕНД исправно работает у Луны. В первые же месяцы оказалось, что нейтронный телескоп «видит» признаки водяного льда не там, где их ожидали увидеть. Предполагалось, что водяной лёд на Луне может находиться только в вечно затенённых районах на склонах полярных кратеров — «холодных ловушках» (cold traps). По данным ЛЕНД получалось, что районы с повышенным содержанием водорода в грунте могут совпадать, а могут и выходить за границы «холодных ловушек».

Это могло указывать на сложные процессы, которые протекают в грунте и у поверхности Луны, а могло — на невысокое качество данных ЛЕНД… И создателям прибора, как рассказал Игорь Георгиевич, пришлось доказывать, что пространственное разрешение соответствует заявленному — десять километров».

Доказательством стали сравнение данных ЛЕНД для нейтронного потока и лазерного альтиметра LOLA (также на борту LRO) для глубины кратера Шумейкер,  которые показали очень хорошее соответствие. Последующие наблюдения ЛЕНД во многом помогли выбрать место для эксперимента LCROSS — управляемого столкновения с Луной. Разгонный блок «Центавр» и аппарат LCROSS столкнулись с Луной в районе кратера Кабеус, и показали, что в лунном грунте может быть 5.6⁺/_-2.9 процента воды.

По данным самого прибора ЛЕНД, уточнённым за всё время работы, в отдельных районах Луны доля воды по массе может достигать 0,5 процентов, если она равномерно распределена по глубине. Или, если богатый водяным льдом грунт расположен на глубине около 1 метра под слоем сухого грунта, то массовая доля водяного льда может достигать 10 процентов по массе.

«В каком-то смысле именно эта карта Луны, которую построил и продолжает уточнять ЛЕНД, привела нас в наше настоящее», — говорит Игорь Митрофанов.

Лунное «настоящее», которое логически переходит в «будущее» — исследование и освоение Луны в ближайшие годы. Три последовательные миссии «Луна-25, -26, -27» («лунная диагональ», как её назвал Игорь Митрофанов) нацелены на изучение области Южного полюса Луны (посадочные аппараты «Луна-25» и «Луна-27») и глобальной разведки поверхности (орбитальный аппарат «Луна-26»). 

Они должны стать началом более обширной программы по изучению и освоению Луны. Её цели уже не будут касаться только планетологии, хотя научный и исследовательский интерес остаётся одним из главных движителей человечества к Луне. Такая лунная программа совместит и научные, и инженерные задачи, и автоматические, и пилотируемые элементы, и, по мнению Игоря Георгиевича, может вывести космонавтику на новый уровень.

Игорь Георгиевич Митрофанов: "Луна: прошлое, настоящее, будущее". Семинар ИКИ РАН (с) С.Е. Виноградова, ИКИ РАН, 2018

- О.З.