25 лет назад, 27 марта 1989 г., была потеряна связь с космическим аппаратом «Фобос-2», в результате чего основная его задача — доставка на поверхность Фобоса спускаемых аппаратов для изучения этого спутника Марса — осталась невыполненной. История открытия марсианских лун весьма увлекательна сама по себе и заслуживает отдельной статьи. Они были обнаружены американским астрономом Асафом Холлом (Asaph Hall) во время Великого противостояния Красной планеты1877 г. Вначале — 12 августа — был открыт меньший спутник (благодаря тому, что он имеет орбиту большего диаметра и значительно дольше не теряется в ярком околопланетном ореоле), а чуть позже, 18 августа, удалось увидеть и его более крупного «собрата». Названия для них, изначально звучавшие как
«Фобус» и «Деймус», предложил английский химик Генри Мэдэн (Henry Madan), основываясь на гомеровской «Илиаде», где непременными спутниками бога войны Ареса греческого эквивалента Марса — считаются Страх и Ужас.
База внеземной цивилизации
В первом издании знаменитой книги И.С.Шкловского «Вселенная, жизнь, разум», опубликованном в1962 г., одна из глав называлась «Спутники Марса — искусственные?». Речь в ней шла о странном характере движения Фобоса — крупнейшей из двух лун планеты. Наблюдения тех лет указывали, что его орбитальный период с течением времени укорачивается, что свидетельствовало о сильном торможении спутника. Обсудив различные возможные причины этого явления, Шкловский пришел к выводу, что Фобос тормозится верхней атмосферой Марса. Разумеется, на той высоте, где по почти круговой орбите в плоскости экватора движется спутник — а это более6000 кмот поверхности — марсианская атмосфера очень разрежена, поэтому для объяснения наблюдаемого эффекта тормозящееся тело должно иметь большую парусность… и небольшую массу.
В те времена к Красной планете еще не летали космические аппараты, поэтому точных данных о ее спутниках не было. Однако размер Фобоса довольно неплохо оценивался по его видимому блеску: Шкловский принял его диаметр равным16 км(на самом деле он составляет около23 км). Но о массе этого небесного тела не было известно абсолютно ничего. Поэтому, основываясь на своей идее об атмосферном торможении, Шкловский вычислил предполагаемую массу спутника и его среднюю плотность, которая получилась невероятно маленькой – около 1 кг/м3 (в тысячу раз меньше плотности воды). Природных тел такой плотности не существует, а если бы даже существовали они просто не выдержали бы приливного воздействия со стороны Марса. Поэтому ученый выдвинул «сумасшедшую» гипотезу о том, что этот спутник — искусственное пустотелое сооружение.
В первые годы космической эры, еще до орбитального полета Юрия Гагарина в1961 г., идея Шкловского вызвала большой резонанс и несколько лет оживленно обсуждалась общественностью и профессиональными астрономами. Но в конце1971 г. межпланетный аппарат Mariner (NASA)5 передал снимки Фобоса с близкого расстояния. На них он выглядит обычным «булыжником», совершенно не похожим на космическую станцию иной цивилизации. Да и средняя плотность его вещества оказалась почти две тонны на кубометр — как у кирпича или бетона. Поэтому в более поздних изданиях книги «Вселенная, жизнь, разум» глава о спутниках Марса исчезла. А жаль: проблема-то осталась!
Основой для гипотезы Шкловского послужила работа американского астронома Бивэна Шарплесса (Bevan P. Sharpless) «Вековое ускорение в долготах спутников Марса», опубликованная в1945 г. В ней утверждалось, что орбитальный период Фобоса сокращается. Ясно, что при движении тела по неизменной орбите этот период должен сохраняться. Но если спутник испытывает торможение и приближается к поверхности планеты, каждый следующий оборот он завершает все быстрее и быстрее. В небесной механике этот кажущийся парадокс (торможение, ведущее к ускорению!) называется вековым ускорением, т.е. постоянно растущим опережением. Разделив окружность (360°) на орбитальный период, мы получим среднюю угловую скорость спутника, выражаемую в градусах за единицу времени. А изменение этой скорости соответственно выражается в градусах, деленных на квадрат времени. Шарплесс определил, что ускорение Фобоса составляет около 0,002 /год, т.е. в течение года угловая скорость возрастает на 0,002 °/год.
Эволюция орбит
Нетрудно вычислить, что такое сокращение орбитального периода соответствует приближению к поверхности Марса на3 смв год. Даже если эта скорость останется неизменной, Фобос врежется в Марс через 200 млн лет. Но Шкловский полагал, что в более плотных слоях атмосферы торможение усилится, и падение произойдет примерно через 20 млн лет. Это лишь укрепило его подозрение об искусственном происхождении спутника, поскольку застать за столь короткое время до «кончины» естественный объект возрастом в миллиарды лет — событие маловероятное. Но если это орбитальная станция марсиан, созданная не очень давно — тогда все в порядке.
Сколь бы наивными ни казались нам сегодня эти рассуждения, вспомним, что в начале 1960-х годов еще не было космических станций на околоземной орбите, и на Землю они еще не падали. Фантазия астрофизика Шкловского опередила время во многих направлениях, в том числе и в этом. Как настоящий исследователь, он относился к своей научно-фантастической идее достаточно хладнокровно: «Разумеется, вполне возможно, что результаты Шарплесса окажутся ошибочными, и тогда наша гипотеза потеряет научное основание. Но ведь ошибочность результатов Шарплесса надо доказать. Только на основании новых, весьма точных рядов наблюдений положений спутников Марса можно будет сделать вывод, прав Шарплесс или нет. Даже если в результате будущих наблюдений окажется, что вековые ускорения в движении Фобоса отсутствуют, проведенный анализ имеет определенный интерес для нашей проблемы. Основной смысл моей гипотезы — обратить внимание на то, что деятельность высокоразвитого общества разумных существ может иметь «космические» последствия и создать такие памятники, которые надолго переживут породившую их цивилизацию».
Итак, что же показали «будущие наблюдения»? Оказалось, что Шарплесс ошибся, но не сильно: Фобос действительно падает на Марс! Для описания поведения Деймоса данных пока недостаточно, но в отношении Фобоса все исследователи единодушны: его движение ускоряется, хоть и в полтора раза медленнее, чем изначально предполагалось. В чем же причина такого ускорения? Если это не торможение в атмосфере — тогда что?
Важнейшая сила, влияющая на движение любого спутника — гравитационное притяжение к планете. Если ее отделяет от спутника большое расстояние, оба тела можно представить материальными точками или (что равносильно) идеальными шарами. Тогда силы их взаимного притяжения направлены строго от центра одного тела к центру другого, а движение происходит по вечным и неизменным эллипсам. Но если расстояние до спутника сравнимо с размером планеты, то ситуация усложняется: разные части последней притягиваются к нему по-разному, вследствие чего возникает приливный эффект, вызывающий напряжения в теле планеты и, если она не абсолютно твердая (чего в природе по определению не бывает), изменяющий ее форму.
Влияние Луны на Землю искажает форму земного шара — точнее, геоида — примерно на метр, «растягивая» его вдоль направления на лунный центр и сжимая в перпендикулярных направлениях. Легче этому влиянию поддаются «мягкие» оболочки планеты (атмосфера и гидросфера), земная кора деформируется слабее. Земля вращается относительно направления на Луну, поэтому в открытом море поверхность воды дважды в сутки приподнимается над средним уровнем на полметра — это и есть морские приливы, между которыми наступают отливы. В открытом море заметить без специальных приборов такое изменение уровня воды, особенно в условиях постоянного волнения, разумеется, невозможно. Но чтобы за шесть часов полуметровый слой океана переместился из одной «четвертинки» глобуса в другую, течение должно быть весьма интенсивным. Поэтому приливно-отливные течения в некоторых проливах сильно усложняют навигацию. А в узких заливах на побережье, ориентированных примерно в направлении «восток-запад», приливный горб может вызвать подъем воды на 10-15 м. По этой причине, например, заход больших кораблей в некоторые порты возможен только во время высоких приливов.
Однако приливная деформация Земли интересует не только моряков, но и астрономов. Приливы влияют на вращение планеты и орбитальное движение ее спутников. Дело в том, что вязкость и силы трения вызывают смещение приливных горбов относительно направления на спутник. Если планета вращается быстрее, чем спутник обегает ее по орбите в том же направлении (как в случае Земли и Луны) — горбы смещаются в сторону вращения; если же планета «отстает» (как в случае Марса и Фобоса), то отстают и горбы. И только если спутник движется по синхронной орбите, т.е. постоянно висит над одной точкой экватора планеты, приливные горбы располагаются строго на линии, проходящей через центры обоих тел.
Кто падает, а кто удаляется?
Если представить планету как сферическое тело с наложенными на него приливными горбами, то легко понять, к чему приводит смещение горбов относительно направления на спутник. Сферическая часть планеты с ее центрально-симметричным гравитационным полем не меняет энергию движения спутника, но горбы — меняют, поскольку в силе притяжения к ним есть составляющая, направленная вдоль его движения. Более близкий приливный горб оказывает на него большее влияние, чем удаленный, поскольку и сам он немного больше, и расстояние от него до спутника меньше. Этот эффект называют приливным трением.
На спутники, движущиеся ниже синхронной орбиты, приливное трение оказывает тормозящее влияние, вынуждая их опускаться к поверхности планеты. Это же справедливо и для всех спутников, движущихся ретроградно — навстречу вращению планеты. Но если спутник движется выше синхронной орбиты в ту же сторону, куда вращается планета (как Луна вокруг Земли), приливное трение «тянет» его вперед, добавляя энергию и вынуждая удаляться от планеты. Именно это происходит с Луной, которая в среднем ежегодно удаляется от нас примерно на38 мм. Вращение Земли при этом немного тормозится — ведь это именно его энергия передается нашему спутнику. Поэтому ежегодно земные сидерические сутки (время одного оборота вокруг оси относительно звезд) удлиняются на 15 микросекунд.
Период обращения Фобоса втрое короче марсианских суток — следовательно, спутник тормозится приливным трением и, в полном согласии с наблюдениями, должен приближаться к планете, сокращая свой орбитальный период. Расчеты показывают, что описанный эффект без труда объясняет наблюдаемое ускорение этой луны. Кстати, в 4-м издании книги «Вселенная, жизнь, разум» (1976 г.) Шкловский сам отметил важную роль приливов в эволюции орбиты Фобоса. А сегодня последние сомнения в этом отпали. За движением спутника следят автоматические аппараты с околомарсианской орбиты и непосредственно с Марса. Наиболее точные измерения производятся во время прохождений Фобоса по диску Солнца, а также при наблюдениях движения его полутени по поверхности планеты.
28 апреля2014 г. Фобос ненадолго закрыл от части наземных приемных станций европейский космический аппарат Mars Express, «заглушив» его радиосигнал. Покрытие продолжалось 9 секунд (с 01:08:24 до 01:08:33 UTC). Благодаря прецизионной регистрации моментов его начала и окончания оно позволило провести одно из наиболее точных измерений параметров орбиты этого марсианского спутника.
Согласно результатам измерений, Фобос ведет себя так же, как наша Луна, только «в обратную сторону»: он приближается к поверхности Марса со скоростью около4 смв год. Если бы эта динамика оставалась неизменной, он упал бы на планету через 150 млн лет. Но, скорее всего, развязка наступит раньше. По мере приближения к Марсу торможение усиливается. Более точные расчеты показывают, что если бы Фобос сохранял свою массу, столкновение произошло бы через 30-50 млн лет. Однако и эта оценка излишне оптимистична. Уже сегодня спутник практически заполнил свою полость Роша — область «гравитационного контроля», в которой он способен удерживать свое вещество силами собственного тяготения, несмотря на разрушающее приливное влияние центральной планеты. Стоит ему немного приблизиться к Марсу — и притяжение последнего начнет «отщипывать» фрагменты поверхности Фобоса, а возможно, даже разорвет его на части.
Поэтому, вслед за Шкловским, мы продолжаем удивляться редкому стечению обстоятельств, позволившему нам изучать это небесное тело буквально накануне его гибели. Впрочем, несколько тысячелетий у нас в запасе наверняка есть. И хотя Фобос никогда не был орбитальной станцией, можно практически не сомневаться, что в ближайшие годы он ею станет. Исследователи Марса непременно используют этот «космический причал» как промежуточную базу для экспедиций на поверхность Красной планеты. И кто знает — быть может, наши потомки смогут уберечь ее главный спутник от неминуемого разрушения. Хотя бы в знак восхищения гениальными предвидениями Иоганна Кеплера и Джонатана Свифта, предсказавших наличие у Марса двух маленьких лун задолго до их открытия.
