Наблюдение и съемка Луны в телескоп рефлектор

У меня есть сестра Даша, ей 5 лет. Однажды она спросила меня: “Что светит в наши окна ночью? ” Ответ был прост: “Это Луна. Спутник нашей планеты”. “А что на ней находится? ” – продолжила свои вопросы Даша.

За Луной наблюдали всегда. Луна ведь самое близкое для нас небесное тело, которое можно наблюдать невооруженным глазом. Однако, за Луной наблюдали и с помощью оптических приборов. Что же можно рассмотреть на Луне, находясь в городе Уфа, с помощью оптических приборов?

Это и явилось предметом рабочего исследования. В течение нескольких циклов Луна наблюдалась с помощью телескопа рефлектора. Данную схему телескопов предложил Иссак Ньютон. Он изготовил зеркало из сплава меди, олова и мышьяка диаметром 30 мм и установил его в свой телескоп в 1667 году. Наш рефлектор имеет зеркало диаметром 200 мм, а также много приспособлений, которые делают наблюдения очень удобными – экваториальную монтировку, штатный электропривод по обеим осям, пульт управления.

Для доклада были сделаны снимки поверхности Луны с помощью цифровой камеры. В результате этого появилась возможность найти на поверхности Луны наиболее важные объекты и ответить на вопрос моей сестры.

Слева – мой снимок, справа – обзорная фотокарта Луны из сети Интернет

Снимок №1.

Южная часть Луны. Кратер Тихо. С чем связано это странное название? Действительно ли так тихо в его окрестностях? Луна имеет крайне разреженную газовую оболочку. Масса Луны просто мала для того, чтобы удерживать у своей поверхности атмосферу. Поэтому на Луне действительно тихо — звук не может распространяться в безвоздушной среде. Хотя звук может распространяться и через грунт. А кратер Тихо назван так в честь датского астронома и алхимика середины XVI века Тихо Браге.
Двигаемся на север и запад.

Снимок 2.

Кратер Коперник (ударный лунный кратер, названный в честь польского астронома Николая Коперника (1473—1543). Расположен в восточной части Океана Бурь. Коперник образовался 800 миллионов лет назад в результате удара о поверхность Луны другого тела — метеорита или кометы. Осколки этого тела разлетелись на тысячи километров и оставили на поверхности Луны систему лучей.

Информация, полученная путём детального изучения образцов с Луны, привела к созданию теории Гигантского столкновения: 4,57 миллиарда лет назад протопланета Земля (Гея) столкнулась с протопланетой Тейя. Удар пришёлся не по центру, а под углом (почти по касательной). В результате большая часть вещества ударившегося объекта и часть вещества земной мантии были выброшены на околоземную орбиту. Из этих обломков собралась прото–Луна и стала обращаться по орбите с радиусом около 60 000 км. Земля, в результате удара, получила резкий прирост скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон оси вращения. Хотя у этой теории тоже есть недостатки, в настоящее время она считается основной.

По оценкам, основанным на содержании стабильного радиогенного изотопа вольфрама–182 (возникающего при распаде относительно короткоживущего гафния–182) в образцах лунного грунта, в 2005 году учёные–минералоги из Германии и Великобритании определили возраст лунных пород в 4 млрд 527 млн лет (±10 млн лет). Это самое точное на сегодняшний день значение.

Коперник является самым большим лучевым кратером на видимой стороне Луны. Его диаметр около 93 км

Снимок 3.

Сосед Коперника – кратер Кеплер хорошо читается на поверхности, так как имеет сиcтему светлых лучей, подобно кратерам Коперник и Тихо. (Кеплер — ударный кратер на поверхности Луны, названный в честь немецкого астронома Иоганна Кеплера. Кратер хорошо виден даже в маленький телескоп, так как имеет сиcтему светлых лучей, подобно кратерам Коперник и Тихо. Кеплер расположен на видимой стороне Луны, между Океаном Бурь (Oceanus Procellarum) и Морем Островов (Mare Insularum). Размер кратера составляет 32 км, а глубина — 2,6 км.)

Все сфотографированные объекты расположены на видимой стороне Луны — обратная сторона Луны остается недоступной для наблюдений. Однако, интересным является то, что из–за явления оптической либрации мы можем наблюдать около 59% лунной поверхности. Данное явление оптической либрации было открыто Галилео Галилеем в 1635 году, когда он был осуждён Инквизицией.

Между вращением Луны вокруг собственной оси и её обращением вокруг Земли существует различие: вокруг Земли Луна обращается с переменной угловой скоростью вследствие эксцентриситета лунной орбиты (второй закон Кеплера) — вблизи перигея движется быстрее, вблизи апогея медленнее. Однако вращение спутника вокруг собственной оси равномерно. Это позволяет увидеть с Земли западный и восточный края обратной стороны Луны. Это явление называется оптической либрацией по долготе. В связи с наклоном оси вращения Луны к плоскости земной орбиты можно с Земли увидеть северный и южный края обратной стороны Луны (оптическая либрация по широте).

Даже невооруженным глазом на лунном диске видны темные образования, это так называемые моря. Такие названия пришли из древности, когда древние астрономы думали, что Луна имеет моря и океаны, также как и Земля. Однако в них нет ни капли воды, и они состоят из базальтов. (3–4,5 млрд. лет назад на поверхность Луны излилась лава и, застыв, образовала темные моря. Они покрывают 16% площади лунной поверхности и расположены на видимой стороне Луны.

Снимок 4.

Море Дождей, было образовано в результате затопления лавой большого ударного кратера, сформировавшегося в результате падения крупного метеорита или ядра кометы примерно 3,85 млрд лет назад.

Содержание газов у поверхности Луны в ночное время не превышает 200 000 частиц/см³ и увеличивается днём на два порядка за счёт дегазации грунта. Такая концентрация газов равноценна глубокому вакууму, поэтому днём её поверхность накаляется до +120 °C, но ночью или даже в тени она остывает до −160 °C. Небо на Луне всегда чёрное, даже днём.

В Заливе Радуги совершил посадку Луноход–1 — первый в мире планетоход, успешно работавший на поверхности другого небесного тела.

Снимок 5.

Море Холода, расположенное к северу от Моря Дождей и тянущееся до северной оконечности Моря Ясности. С юга к Морю Холода примыкают окружающие Море Дождей горы Альпы, рассеченные прямой трещиной длиной 170 км при ширине 10 км — Долиной Альп. Море расположено во внешнем кольце Океана Бурь; сформировалось в эпоху Раннеимбрийского периода, его восточная часть — в Позднеимбрийский период, а западная — в Эратосфенский период геологической активности Луны.

К югу от моря расположено темное округлое образование — кратер Платон.

Снимок 6.

Снимок 7.

Море Спокойствия. Завораживающее место. 20 июля 1969 года в ходе экспедиции “Аполлон–11” пилотируемый аппарат с двумя астронавтами НАСА на борту осуществил мягкую посадку на Базе Спокойствия. Цель полёта была сформулирована следующим образом: “Совершить посадку на Луну и возвратиться на Землю”. Корабль включал в себя командный модуль (образец CSM–107) и лунный модуль (образец LM–5). Корабль “Аполлон–11” стартовал 16 июля 1969 года в 13 часов 32 минуты по Гринвичу. Двигатели всех трёх ступеней ракеты–носителя отработали в соответствии с расчётной программой, корабль был выведен на геоцентрическую орбиту, близкую к расчётной.

После выхода последней ступени ракеты–носителя с кораблём на начальную геоцентрическую орбиту экипаж в течение примерно двух часов производил проверку бортовых систем.

Двигатель последней ступени ракеты–носителя был включён для перевода корабля на траекторию полёта к Луне в 2 часа 44 минуты 16 секунд полётного времени и проработал 346,83 секунды.

В 3 часа 15 минут 23 секунды полётного времени начался манёвр перестроения отсеков, который завершился с первой попытки через 8 минут 40 секунд. В 4 часа 17 минут 3 секунды полётного времени корабль (сцепка из командного и лунного модулей) отделился от последней ступени ракеты–носителя, отдалился от неё на безопасное расстояние и начал самостоятельный полёт к Луне. По команде с Земли был произведён слив компонентов топлива из последней ступени ракеты–носителя, в результате чего ступень в дальнейшем под влиянием лунного притяжения вышла на гелиоцентрическую орбиту, где и находится до настоящего времени.

Во время 96–минутного цветного телевизионного сеанса, начавшегося в 55:08: 00 полётного времени, Армстронг и Олдрин перешли в лунный модуль для первой проверки бортовых систем.

Корабль достиг лунной орбиты примерно через 76 часов после старта. После этого Армстронг и Олдрин начали готовиться к отстыковке лунного модуля для высадки на лунную поверхность. Командный и лунный модули были расстыкованы примерно через сто часов после старта. Лунный модуль прилунился в Море Спокойствия 20 июля в 20 часов 17 минут 42 секунды по Гринвичу.

Лунный модуль

Олдрин вышел на поверхность Луны примерно через пятнадцать минут после Армстронга. Олдрин опробовал различные способы быстрого передвижения по поверхности Луны. Наиболее целесообразным астронавты признали обычную ходьбу. Астронавты прошлись по поверхности, собрали некоторое количество образцов лунного грунта и установили телевизионную камеру. Затем астронавты установили флаг Соединённых Штатов Америки (Конгресс США до полёта отверг предложение НАСА установить на Луне флаг ООН вместо национального), провели двухминутный сеанс связи с президентом Никсоном, произвели дополнительный забор грунта, установили на поверхности Луны научные приборы (сейсмометр и отражатель лазерного излучения). После установки приборов астронавты собрали дополнительные образцы грунта (общий вес образцов, доставленных на Землю,  — 24,9 кг при максимально допустимом весе 59 кг) и вернулись в лунный модуль.

После ещё одного приёма пищи астронавтами, на сто двадцать пятом часу полёта, состоялся старт с Луны взлётной ступени лунного модуля.

Общая длительность пребывания лунного модуля на поверхности Луны составила 21 час 36 минут.

На оставшейся на поверхности Луны посадочной ступени лунного модуля укреплена табличка с выгравированными на ней картой полушарий Земли и словами “Здесь люди с планеты Земля впервые ступили на Луну”.

После выхода взлётной ступени лунного модуля на селеноцентрическую орбиту она была состыкована с командным модулем на 128 часу экспедиции. Экипаж лунного модуля взял образцы, собранные на Луне, и перешёл в командный модуль, взлётная ступень лунной кабины была отстыкована, командный модуль стартовал в обратный путь на Землю. Потребовалась только одна коррекция курса во время всего обратного полёта, вызванная плохими метеорологическими условиями в запланированном районе посадки. Новый район посадки находился примерно в четырёхстах километрах к северо–востоку от намеченного. Разделение отсеков командного модуля произошло на сто девяносто пятом часу полёта. Чтобы отсек экипажа достиг нового района, была изменена программа управляемого спуска с использованием аэродинамического качества.

Отсек экипажа приводнился в Тихом океане примерно в двадцати километрах от авианосца «Хорнет» (CV-12) (англ.  Hornet (CV-12)) через 195 часов 15 минут 21 секунду от начала экспедиции.

Снимок 8.

Море Ясности. Название этого моря (как и многих других морей в восточной части видимого полушария Луны) связано с хорошей погодой и было введено астрономом Джованни Риччоли.  Море Ясности посещалось экипажем «Аполлона-17», а также станцией «Луна-21», которая доставила на поверхность «Луноход-2». Этот самоходный аппарат четыре месяца двигался по восточному берегу моря Ясности — снимал фотопанорамы, а также проводил магнитометрические измерения и рентгеновский анализ грунта переходной зоны между морским и материковым районом. В ходе работы аппарата «Луноход-2» был поставлен ряд рекордов: рекорд по продолжительности активного существования, по массе самодвижущегося аппарата и по пройденному расстоянию (37 000 м), а также по скорости движения и продолжительности активных действий.

Луноход-2

В марте 2010 года профессор Фил Стук из Университета Западного Онтарио (англ. The University of Western Ontario) обнаружил на снимках, сделанных Lunar Reconnaissance Orbiter, «Луноход-2», уточнив тем самым координаты его местонахождения.

Местоположение Лунохода-2

Луноход 2 15 января 1973 года доставлен на Луну автоматической межпланетной станцией «Луна-21». Посадка произошла в 172 километрах от места прилунения «Аполлона-17». Система навигации «Лунохода-2» оказалась повреждена и наземный экипаж лунохода ориентировался по окружающей обстановке и Солнцу. Большой удачей оказалось то, что незадолго до полёта через неофициальные источники советским разработчикам лунохода была передана подробная фотокарта места высадки, составленная для посадки «Аполлона».

Несмотря на повреждение системы навигации аппарат преодолел большее расстояние, чем его предшественник, так как был учтён опыт управления «Луноходом-1» и был внедрён ряд нововведений, таких как, например, третья видеокамера на высоте человеческого роста.

За четыре месяца работы прошёл 37 километров, передал на Землю 86 панорам и около 80 000 кадров телесъёмки, но его дальнейшей работе помешал перегрев аппаратуры внутри корпуса.

После въезда внутрь свежего лунного кратера, где грунт оказался очень рыхлым, луноход долго буксовал, пока задним ходом не выбрался на поверхность. При этом откинутая назад крышка с солнечной батареей, видимо, зачерпнула немного грунта, окружающего кратер. Впоследствии, при закрытии крышки на ночь для сохранения тепла, этот грунт попал на верхнюю поверхность лунохода и стал теплоизолятором, что во время лунного дня привело к перегреву аппаратуры и выходу ее из строя.
Луноход представляет собой установленный на самоходном шасси герметичный приборный отсек.

Масса аппарата (по исходному проекту) — 900 кг, диаметр по верхнему основанию корпуса — 2150 мм, высота 1920 мм, длина шасси  — 2215 мм, ширина колеи — 1600 мм. Колёсная база 1700 мм. Диаметр колёс по грунтозацепам 510 мм, ширина 200 мм. Диаметр приборного контейнера — 1800 мм. Максимальная скорость передвижения по Луне — 4 км/час.

Управление «Луноходами» осуществлялось группой операторов из 11 человек, составлявших посменно «экипаж»: командир, водитель, оператор остронаправленной антенны, штурман, бортинженер. Центр управления находился в посёлке Школьное (НИП-10). Каждый сеанс управления длился ежедневно до 9 часов, с перерывами в середине лунного дня (на 3 часа) и на лунную ночь. Отработка действий операторов проводилась на действующей модели «Лунохода» на специальном полигоне с имитацией лунного грунта.
Основную сложность при управлении луноходом составляла задержка времени: радиосигнал проходит до Луны и обратно около 2 секунд, а частота смены картинки малокадрового телевидения составляла от 1 кадра в 4 секунды до 1 кадра в 20 секунд. Общая задержка в управлении доходила до 24 секунд в зависимости от рельефа.
Луноход мог двигаться с двумя различными скоростями, в двух режимах: ручном и дозированном. Дозированный режим представлял собой автоматический этап движения, программируемый оператором. Поворот осуществлялся путем изменения скорости и направления вращения колес левого и правого борта.

На востоке расположен кратер Посейдон.

Снимок 9.

Море кризисов. Море Кризисов легко видно невооруженным глазом, как отдельное темное овальное пятнышко справа от основного морского бассейна. Расположено к северо-востоку от Моря Спокойствия. Море имеет диаметр 418 км, площадь 137 000 км.

Поверхность Луны покрыта слоем породы, измельченной до пылеобразного состояния в результате бомбардировки метеоритами в течении миллионов лет. Эта порода называется реголит. По толщине слой реголита варьируется от 3 метров в районах лунных «океанов» до 20 м на лунных плато. Впервые лунный грунт был доставлен на Землю экипажем космического корабля «Аполлон-11» в июле 1969 года, в количестве 21,7 кг. Автоматическая станция «Луна-16» доставила 101 гр грунта 24 сентября 1970 года, после экспедиций Аполлон-11 и Аполлон-12. «Луна-20» и «Луна-24» из трёх районов Луны: Моря Изобилия, материкового района вблизи кратера Амегино и Моря Кризисов в количестве 324 г. и был передан в ГЕОХИ РАН для исследования и хранения. В ходе лунных миссий по программе Аполлон на Землю было доставлено 382 кг лунного грунта.

22 августа 1976 года советским зондом Луна-24 на Землю был успешно доставлен образец грунта из Моря Кризисов

Снимок 10.

Горы Аппенины. На Луне присутствуют несколько горных цепей и плато. Они отличаются от лунных «океанов» более светлой окраской. Лунные горы, в отличии от гор на Земле, формировались в результате столкновений гигантских метеоритов с поверхностью. В районе гор Аппенины произошла четвёртая высадка людей на Луну. Полёт «Аполлона-15» был первой так называемой Джей-миссией (J-mission). Всего их было три вместе с «Аполлоном-16» и «Аполлоном-17». Джей-миссии предусматривали более продолжительные высадки на Луну (до нескольких суток) с большим акцентом на научные исследования, чем было до этого. Командир экипажа Дэвид Скотт и пилот лунного модуля Джеймс Ирвин провели на Луне почти трое суток (чуть менее 67 часов). Общая продолжительность трёх выходов на лунную поверхность составила 18 с половиной часов. На Луне экипаж впервые использовал лунный автомобиль, «Лунный Ровер» (Lunar Roving Vehicle), что значительно облегчило и ускорило передвижение астронавтов между различными интересными с геологической точки зрения объектами. Было собрано и затем доставлено на Землю 77 килограммов образцов лунного грунта. По мнению специалистов, образцы, доставленные этой экспедицией, были самыми интересными из всех, собранных в ходе программы «Аполлон».

Лунный ровер

Луна является самым близким и лучше всего изученным небесным телом и рассматривается как кандидат для места создания человеческой колонии. НАСА разрабатывала космическую программу «Созвездие», в рамках которой должна разрабатываться новая космическая техника и создаваться необходимая инфраструктура для обеспечения полётов нового космического корабля к МКС, а также полётов на Луну, создания постоянной базы на Луне и в перспективе полетов на Марс. Однако, по решению президента США Барака Обамы от 1 февраля 2010 года, финансирование программы в 2011 году может быть прекращено.

В феврале 2010 года НАСА представило новый проект: «аватары» на Луне, который может быть реализован уже через 1000 дней. Суть его заключается в организации экспедиции на Луну с участием роботов-аватаров (представляющих собой устройство телеприсутствия) вместо людей. В этом случае инженеры, занимающиеся организацией полёта, избавляют себя от необходимости использования важных систем жизнеобеспечения и благодаря этому используется менее сложный и дорогой космический корабль. Для управления роботами-аватарами эксперты НАСА предлагают использовать высокотехнологичные костюмы дистанционного присутствия (наподобие костюма виртуальной реальности). Один и тот же костюм могут «надевать» несколько специалистов из разных областей науки поочередно. К примеру, в ходе изучения особенностей лунной поверхности, управлять «аватаром» может геолог, а затем в костюм телеприсутствия может облачиться физик.

О своих планах освоения Луны не раз заявлял и Китай. 24 октября 2007 года с космодрома Сичан  был успешно запущен первый китайский спутник Луны Чанъе-1. В его задачи входило получение стереоснимков, с помощью которых впоследствии изготовят объёмную карту лунной поверхности. В будущем КНР рассчитывает основать на Луне обитаемую научную базу. Согласно китайской программе, освоение естественного спутника Земли намечено на 2040—2060 годы.

Японское агентство по космическим исследованиям планирует к 2030 году ввести в строй обитаемую станцию на Луне — на пять лет позже предполагавшихся ранее сроков. В марте 2010 года Япония решила отказаться от пилотируемой лунной программы из-за дефицита бюджета.

Вторая половина 2007 года ознаменовалась новым этапом в космическом соревновании. В это время состоялись запуски лунных спутников Японии и Китая. А в ноябре 2008 года был запущен индийский спутник «Чандраян-1». Установленные на «Чандраяне-1» 11 научных приборов из разных стран позволят создать подробный атлас лунной поверхности, осуществить радиозондирование лунной поверхности в поисках металлов, воды и гелия-3.

22 ноября 2010 г. российские ученые определили 14 наиболее вероятных точек прилунения. Каждое из мест посадки имеет размеры 30-60 км. Будущие лунные базы находятся на стадии эксперимента, в частности уже проведены первые успешные испытания самозалатывания космических аппаратов. Не исключено, что некоторые из них будут использованы при работе первых станций, которые планируется отправить на Луну уже в 2013 г. В будущем Россия собирается применить на полюсах Луны криогенное (низкотемпературное) бурение для доставки на Землю грунта с вкраплениями летучих органических веществ. Данный метод позволит органическим соединениям, которые заморожены на реголите, не испаряться.

Константин Эдуардович Циолковский сказал: «Земля — колыбель человечества, но нельзя вечно пребывать в колыбели». Человечество будет осваивать другие космические тела и самым близким и по времени и по расстоянию будет Луна.

В марте 2010 года профессор Фил Стук из Университета Западного Онтарио  обнаружил на снимках «Луноход-2», уточнив тем самым координаты его местонахождения.

К сожалению, с помощью нашего телескопа сделать это невозможно. Потоки теплого воздуха, особенно в зимнее время, влияют на четкость изображения. Тепло от открытой двери, от открытых окон, от систем вентиляции зданий, выхлопы автомобилей – всё это ухудшает изображение небесных объектов, ведь наш телескоп во время наблюдений находился в городе. Снимки, сделанные при положительных температурах 20 октября, были более качественные, чем снимки, сделанные при отрицательных температурах  21 ноября 2010 года. При этом можно твердо утверждать, что в телескоп можно рассмотреть все интересные объекты Луны.

Особая благодарность Еникееву Аделю Камильевичу за предоставленную возможность использования телескопа рефлектора Sky-Watcher HEQ5 1000 * 200 и цифровой камеры Canon EOS 50D с комплектом сменных объективов.

Работу выполнил

Портянко Александр,
ученик МОУ СОШ № 22 Кировского района г. Уфа
Республика Башкортостан

Презентация: http://static.livescience.ru/luna/presentation.ppt