Ядерная планетология. Физические основы новой космической науки создаются на стыке численного анализа и натурных экспериментов на Земле.

— Хотя эти планеты принадлежат к одной земной группе, они значительно отличаются от Земли, а также существенно разнятся между собой. На ближайшем к Солнцу безатмосферном Меркурии температуры поверхности меняются от +430°С днем до -180°С ночью, — рассказывает заведующий отделом ИКИ доктор физико-математических наук Игорь Митрофанов. — Несмотря на испепеляющую жару на экваторе днем, в полярных кратерах этой планеты обнаружены ледники вечной мерзлоты. Венера же до начала космической эры считалась “сестрой Земли”. Но, обследовав “сестру” с помощью отечественных аппаратов “Венера”, удалось установить, что ее плотная атмосфера создает на поверхности давление около 100 атмосфер, да к тому же поверхность планеты вследствие “парникового эффекта” разогрета до +470°С. В молодости Земля и Марс были схожи между собой: имели плотные атмосферы, водные океаны и глобальные магнитные поля. Современный Марс все это утратил, и его унылая поверхность сохраняет следы древней глобальной катастрофы. Образование Земли, да еще в сопровождении Луны, также представляет загадку для ученых. Словом, после того как уникальные свойства этих небесных тел были обнаружены благодаря первым полетам к ним, перед сегодняшней наукой встала задача объяснить их специфику, а также определить стратегию будущего освоения Луны и Марса.

— Необходимо получить данные об изотопном, элементном и минералогическом составе Луны и Марса, по ним можно понять происхождение этих небесных тел, выяснить характер их эволюции и происходящих на них процессов, разведать наличие природных ресурсов. 

— Для начала можно долететь только “туда”, в один конец, измерить параметры ядерного излучения планетного вещества и сравнить их с данными о хорошо известных нам веществах, изученных в земных лабораториях. Именно с этой целью в ИКИ РАН создается активный спектрометр гамма-лучей и нейтронов АДРОН, основанный на методе нейтронного зондирования исследуемого вещества. 

— Ядерно-физическим планетным исследованиям полвека. Их история началась в апреле 1966 года, когда на окололунную орбиту была выведена отечественная Автоматическая лунная станция (АЛС) “Луна-10”. На ее борту был установлен спектрометр гамма-излучения, разработанный в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского. Прибор измерил гамма-лучи от естественных радиоактивных изотопов калия, тория и урана, что позволило ученым оценить их концентрацию в лунном веществе. 

Но не только естественная радиоактивность грунта спутника Земли была предметом исследований аппаратуры “Луны-10”. Поверхность небесного тела с тонкой атмосферой или вовсе без атмосферы постоянно “бомбардируется” галактическими космическими лучами, из-за этого в верхнем слое толщиной около нескольких десятков сантиметров возникает вторичное гамма-излучение от ядер основных породообразующих элементов и ядер-осколков. Наряду с гамма-лучами поверхность небесного тела излучает вторичные нейтроны с энергиями от десятков мегаэлектронвольт — до тепловых. Измеряя линии ядерного гамма-излучения, можно выяснить элементный состав планетного вещества, а по спектральной плотности потока нейтронов оценить количество в нем водорода — основного замедлителя нейтронов. Именно изучение состава поверхности Луны было главной задачей первого в истории космонавтики ядерно-физического эксперимента на борту АЛС “Луна-10”.

— Нет, не только. За 50 лет, прошедших с тех пор, было проведено около двух десятков ядерно-физических экспериментов для изучения Луны, Меркурия, Венеры, Марса и астероидов. Заметное место среди них занимают три эксперимента, проведенные в ИКИ РАН. Во-первых, на основе данных нашего нейтронного детектора ХЕНД на борту аппарата НАСА “Марс Одиссей” в 2002 году было впервые проведено картографирование нейтронного излучения поверхности Марса и была обнаружена расположенная под ней вечная мерзлота с очень высоким содержанием водяного льда. Этот прибор продолжает работать на марсианской орбите уже более 15 лет. Во-вторых, в 2005-2009 годах для лунного спутника НАСА ЛРО был создан первый космический нейтронный телескоп ЛЕНД, который позволил построить карты распространенности воды в окрестности лунных полюсов. В-третьих, в нейтронном детекторе ДАН впервые в космических исследованиях применен метод нейтронного каротажа (нейтронного зондирования) с использованием импульсного нейтронного генератора разработки Всероссийского института автоматики им. Н.Л.Духова. ДАН уже почти четыре года успешно работает на Марсе на борту марсохода НАСА “Кьюриосити”: проведенные им измерения позволили определить концентрацию и глубинное залегание воды в грунте вдоль трассы движения марсохода. 

Но физики-ядерщики хорошо знают, что провести эксперимент — это полдела, значительное место в ядерных исследованиях занимает обработка экспериментальных данных. Переход от “сырых” отсчетов к оценкам состава изучаемого вещества основан на сквозном численном моделировании, описывающем генерацию нейтронов и гамма-лучей под воздействием галактических космических лучей или импульсов нейтронного генератора, их распространение в веществе, выход с поверхности и регистрацию в детекторах. Для обработки данных также необходимы знания о сечениях ядерных взаимодействий нейтронов и гамма-лучей с материей планеты. Численное моделирование космического эксперимента должно сопровождаться его лабораторным макетированием — на основе экспериментальных данных следует проверять достоверность самих численных моделей, а также определять “реперные” параметры основных гамма-линий от мишеней-аналогов планетного вещества. 

— Проблема в том, что эта часть ядерно-физических космических исследований не входит “зону ответственности” “Роскосмоса”. Космическая госкорпорация финансирует создание аппаратуры для научных экспериментов и их проведение в космосе, но не научный поиск и изыскания по интерпретации полученных данных. Из-за бюджетных ограничений такого рода ИКИ РАН до недавнего времени не имел возможности создавать необходимые лабораторные стенды для макетирования планетных космических экспериментов и использовать высокопроизводительные компьютеры для их численного моделирования. Так, после посадки на Марс в 2012 году обработка данных одного измерения прибора ДАН затягивалась на несколько дней — за это время марсоход уезжал от точки измерений на сотни метров, и полученные результаты уже не могли повлиять на выбор трассы его движения и на операции на борту. 

— Не совсем — ведь мы узнавали, над каким веществом мы недавно проехали, что там было интересного. Но терялась актуальность работы. Будущие эксперименты нуждаются в физических испытаниях и отработках на Земле, которые позволят опытным путем определить оптимальные условия проведения исследований на борту космического аппарата. С этой целью ученые ИКИ РАН совместно с коллегами из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) создали в Дубне экспериментальные стенды, которые позволяют макетировать условия на поверхности Луны, Марса, Венеры и других небесных тел. Создание стендов и работу на них финансирует Российский научный фонд, поддержав наш проект “Изучение Луны и планет Солнечной системы методами ядерной физики”. Эти работы проводятся в лаборатории нейтронной физики им. И.М.Франка (ЛНФ) ОИЯИ, который является нашим давним хорошим партнером по проведению ядерно-физических экспериментов в космосе. Наш первый стенд (ЭУ-ЯП-04) представляет собой “толстую мишень” — аналог планетного вещества с заданным химическим составом и слоистым распределением элементов по глубине. Как известно, основное химическое соединение планетного вещества — двуокись кремния, его в нашей мишени имитируют стеклянные пластины. Между ними мы прокладываем пластины другого химического состава, делая требуемый макет грунта другой планеты. А имитатором слоев водяного льда у нас служат пластины полиэтилена. Над поверхностью мишени-аналога другой планеты мы размещаем нейтронный генератор, детекторы вторичных нейтронов и гамма-лучей. Их расположение определяется условиями конкретного космического эксперимента.

Как руководитель проекта РНФ могу сообщить, что в прошлом году измерения на мишени-аналоге Марса позволили нам экспериментально изучить эффекты слоистого залегания воды в грунте для интерпретации данных прибора ДАН на марсоходе. А в мае нынешнего 2016 года мы совместно с коллегами из Лаборатории реактивного движения (США) провели макетирование будущего активного ядерно-физического эксперимента на поверхности Венеры — вся аппаратура была размещена в титановой капсуле, которая имитировала прочный корпус спускаемого аппарата. В ближайшие несколько месяцев планируются работы по макетированию эксперимента АДРОН на перспективных российских аппаратах “Луна-25” и “Луна-27” на Южном полюсе Луны и также на марсианской посадочной станции проекта “ЭкзоМарс”.

— На стенде ЭУ-ЯП-02 мы измеряем ядерные линии от различных химических соединений под воздействием на них потока нейтронов, имитирующих космические условия. Параметры этих линий физикам в принципе известны, но их абсолютные и относительные интенсивности зависят от потока и спектра налетающих нейтронов. В настоящее время мы отрабатываем на этом стенде эксперимент МГНС для излучения Меркурия в проекте “БепиКоломбо”, а также гамма-спектрометр ЛГНС для орбитального картографирования лунного гамма-излучения в будущем проекте “Луна-26”. 

— И отечественные, и международные — здесь мы свободны в выборе условий нашего сотрудничества, поскольку наша страна занимает лидирующие позиции в ядерной физике и технологии. Объединение ядерных достижений с опытом космического приборостроения дает российским ученым весомое конкурентное преимущество в планетных исследованиях. Более того, проведенные в нашей стране за последние 15 лет ядерно-физические исследования Луны и Марса в значительной степени определили программу исследований этих небесных тел в будущем. С другой стороны, потребности межпланетной космонавтики стимулируют подготовку новых экспериментов, создание уникальных ядерно-физических приборов. По сути, упомянутый проект Российского научного фонда предоставил ученым ИКИ РАН и ЛНФ ОИЯИ возможность построения экспериментальной основы новой науки — ядерной планетологии, возникшей на стыке ядерной физики и космонавтики. На созданных благодаря этому проекту стендах сопровождаются текущие космические эксперименты на Марсе и разрабатываются перспективные приборы для будущих исследований Луны и Марса, Венеры и Меркурия.