Разница между научными и навигационными камерами заключается не только в широте угла обзора. Научные камеры оснащаются еще и сменными цветными фильтрами, позволяющими анализировать различные спектральные характеристики поверхности исследуемых объектов. Обычно фильтры располагаются в специальном колесе, которое позволяет менять их между объективом и фотоматрицей камеры.
По умолчанию научные камеры снимают в панхроматическом диапазоне – черно-белом режиме, в котором фотоматрица принимает весь видимый свет и даже немного невидимого – ближнего инфракрасного. Такая съемка позволяет получить самое высокое разрешение и увидеть мельчайшие детали, поэтому большинство снимков из космоса черно-белые.
На фотокамере со сменными фильтрами цветные изображения можно получить многократной съемкой с чередованием цветных фильтров и путем объединения этих снимков. Такие камеры называют мультиспектральными. Единичный кадр, сделанный через один цветной фильтр, тоже будет черно-белым, поэтому снимки требуется объединять по три. Причем вовсе не обязательно полученный цвет на изображении будет таким, каким его увидели бы наши глаза. Для человеческого зрения мир состоит из сочетаний красного, зеленого и синего цветов. И «настоящий» цвет изображения можно получить при помощи красного, зеленого и синего фильтров.
В обычных цифровых фотоаппаратах и смартфонах принцип получения цветных кадров точно такой же – через трехцветный фильтр. Разница между камерой NASA и камерой в телефоне в том, что на бытовых камерах разноцветными фильтрами прикрываются отдельные пиксели фотоматрицы – такая схема называется «фильтр Байера» – поэтому нам достаточно одного кадра, чтобы увидеть цветное фото. При съемке через «фильтр Байера» за сведение информации полученной через трехцветный фильтр в один цветной кадр отвечают автоматические алгоритмы обработки данных. Использование колеса фильтров позволяет расширять возможности камеры за счет регистрации света в цветовых диапазонах, которые не видят наши глаза, и обрабатывать каждый кадр вручную, не доверяя алгоритмам или используя разные алгоритмы. На марсоходе Curiosity установлен «фильтр Байера», хотя сохранено и отдельное колесо с фильтрами.
Камеры с «фильтром Байера» принято называть цветными, а с возможностью выбора цветового фильтра – мультиспектральными. Если фильтров несколько десятков, то прибор называют гиперспектрометром или гиперспектральной камерой.
Если кадры сделаны через три фильтра, но не через красный/зеленый/синий, а, например, синий, красный и ближний инфракрасный, то при сложении кадров цвет изображения получится «ложным», хотя физические принципы его получения вполне естественны. Просматривая цветные снимки на официальных сайтах космических агентств, стоит обращать внимание на подписи, где указано, какие именно цветные фильтры использованы на снимке. Иногда люди не читают пояснений под фото и не знакомы с процессом получения цветных снимков, поэтому в Интернете до сих пор можно найти «разоблачения» про скрываемый цвет Марса или Луны и про «художников NASA», которые «раскрашивают» снимки из космоса.
Инфракрасный свет наши глаза не видят, а кожа воспринимает его как тепло, хотя ИК-диапазон по ширине не меньше диапазона видимого света. Сокрытую от глаз информацию позволяют добыть инфракрасные камеры. Даже самые обыкновенные фотоматрицы могут увидеть ближний инфракрасный свет (в качестве эксперимента можно попробовать снять огонек телевизионного пульта на смартфон). Для регистрации средней области инфракрасного диапазона на космическую технику ставят отдельные камеры с другим типом датчиков. А дальний инфракрасный диапазон электромагнитного излучения требует охлаждения датчиков до глубокого минуса.
За счет более высокой проникающей способности инфракрасного света приборам удается заглядывать глубже как в дальний космос, сквозь газопылевые туманности, так и в грунт планет и прочих твердых тел.
Так при помощи зонда Venus Express, летавшего вокруг Венеры в 2005–2015 гг, ученые наблюдали за движением полярных тайфунов на средних высотах в атмосфере Венеры. В видимом свете они скрыты от глаз более высокими облаками. Зонд New Horizons зарегистрировал тепловое излучение от вулканов спутника Юпитера Ио. Съемка как в фильме «Хищник» применялась на марсоходах Spirit и Opportunity.
Взгляд орбитальной станции Mars Express на полюса Марса показал разницу распределения углекислотного и водяного льда по поверхности ледяных шапок. В инфракрасном свете водяной лед выглядел голубым, а углекислотный – розовым, хотя нашим глазам оба типа льда кажутся белыми.
Для получения максимума информации инфракрасные камеры оснащают большим набором фильтров, либо полноценным спектрометром, который позволяет раскладывать на спектр весь отраженный от поверхности свет. Например, у New Horizons имеется инфракрасный фотодатчик размером всего 0,065 мегапикселей, зато они разделены на 256 спектральных линий. Каждая линия пропускает излучение только в своем узком диапазоне, и датчик работает в режиме сканера, то есть камерой с ним «проводят» по изучаемому объекту.
Как уже упоминалось, инфракрасный свет – это тепло, поэтому съемка в этом диапазоне открывает еще одну возможность исследования твердых космических тел. Если наблюдать за поверхностью длительное время в процессе нагрева от солнечных лучей в дневное время и остывания в ночное, то можно увидеть, что какие-то элементы поверхности нагреваются и остывают быстро, а какие-то – долго. Эти наблюдения называются исследованием тепловой инерции. Они позволяют определять физические характеристики грунта: рыхлый, как правило, легко набирает и легко отдает тепло, а плотный – долго нагревается и долго держит тепло. Также долго нагреваются и долго остывают грунты с высоким содержанием воды, а водяной лед, наоборот – препятствует нагреву.
Интересное наблюдение было сделано советским зондом «Фобос-2». Снимая Марс в тепловом режиме, он заметил длинную полосу, которая протянулась по планете. В 90-е годы в прессе высказывались мистические домыслы об инопланетном самолете, оставившем конденсационный (такие белые полосы в небе от земных самолетов иногда ошибочно называют «инверсионными») след в атмосфере Марса, но реальность оказалась интереснее, хоть и прозаичнее. Тепловая камера «Фобоса-2» смогла зафиксировать полосу остывшего грунта, протянувшуюся за проходящей тенью спутника Марса – Фобоса.
Бывают и ошибки. Например, исследуя кратер Гейла со спутника Mars Odyssey, ученые определили местность с высокой тепловой инерцией неподалеку от севшего марсохода Curiosity. Там ожидали найти плотную скальную породу, а нашли глинистые породы с относительно высоким содержанием воды – до 6 %. Получилось, что причиной высокой тепловой инерции была вода, а не камень.
С помощью ультрафиолета изучают газовую составляющую Солнечной системы, да и всей Вселенной вообще. Ультрафиолетовый спектрометр стоит на телескопе Hubble (самый большой космический телескоп, названный в честь астронома Эдвина Хаббла), с его помощью удавалось получить представление о распределении воды в атмосфере Юпитера и обнаружить выбросы из подледного океана его спутника – Европы.
В ультрафиолете изучались почти все атмосферы планет, даже те, которых практически нет. Мощный ультрафиолетовый спектрометр зонда MAVEN позволил увидеть окружающие Марс водород и кислород на значительном удалении от поверхности. С его помощью даже сейчас можно наблюдать, как продолжается улетучивание газов из атмосферы Марса, и чем легче газ, тем интенсивнее этот процесс.
Водород и кислород в атмосфере Марса получаются путем фотохимической диссоциации (разделения) молекул воды на составляющие под действием солнечного излучения, а вода на Марсе испаряется из грунта. В результате MAVEN позволил ответить на вопрос «почему сейчас Марс сухой, хотя когда-то там были океан, озера и реки?»
Зонд Mariner-10, пролетая мимо Венеры на пути к Меркурию, в ультрафиолете смог выявить подробности венерианских облаков, увидеть V-образную структуру турбулентных потоков и определить скорость ветров.
Существует и более сложный способ исследования атмосферы – на просвет. Для этого исследуемый объект размещается между источником света и спектрометром космического аппарата. Так можно определить состав атмосферы, оценив разницу спектра источника света до и после перекрытия атмосферой. Таким образом, удается определить не только содержание газов в атмосфере, но и примерный состав и размер частиц пыли, если она тоже поглощает или рассеивает часть света.
Стоит отметить, что по части спектроскопических межпланетных исследований Россия занимает не последнее место. При участии Института космических исследований РАН создавался европейский инфракрасный спектрометр OMEGA для станции Mars Express; на том же аппарате стоит результат совместной работы российских, бельгийских и французских ученых – инфракрасный и ультрафиолетовый спектрометр SPICAM; совместно с итальянцами специалисты ИКИ РАН разработали прибор PFS. Схожий набор приборов был установлен на аппарате Venus Express, который закончил свою миссию в конце 2014 года. Сегодня у Марса работает тяжелый зонд ExoMars Trace Gas Orbiter Европейского космического агентства, на котором находятся несколько российских спектрометров для изучения атмосферы и поверхности «Красной планеты».
Свет обеспечивает нас значительным объемом информации о Солнечной системе – нужно только уметь смотреть и видеть, но есть и другие средства, связанные уже с ядерной и радиофизикой.
1.4. Как изучают планеты с помощью радио и радиации
Космическая радиация – это потоки фотонов и других элементарных частиц с очень высокой энергией, которыми наполнено все межзвездное и межпланетное пространство. Это результат излучения звезд, выбросов газопылевых дисков вокруг черных дыр, нейтронных звезд и пульсаров, взрывов сверхновых. Космической радиацией называют гамма-лучи и элементарные частицы: протоны (ядра атомов водорода), нейтроны, альфа- и бета-лучи, рентген, тяжелые заряженные частицы. Практически любой катаклизм во Вселенной является источником космической радиации. Она является проблемой для космонавтов и электроники, но для ученых радиация – подарок, позволяющий узнать много подробностей о космосе.
Гамма-лучи – это высокоэнергичные фотоны, их источником является Солнце и далекие взрывные события в галактике и за ее пределами, но гамма-спектроскопия в планетологии изучает не те лучи, которые выбрасываются из звезд и черных дыр, а те, которыми «фонят» планеты и другие безатмосферные или слабоатмосферные космические тела.
Планеты и астероиды начинают излучать в гамма-диапазоне под воздействием бомбардировки более массивных частиц: высокоэнергетичных протонов, альфа-,бета- лучей и нейтронов. В результате взаимодействия заряженных частиц с грунтом на поверхности небесных тел образуются гамма-лучи. И, как мы помним, каждый химический элемент излучает в своем спектральном диапазоне. То есть нам достаточно провести гамма-спектрометром над поверхностью, чтобы понять из чего она состоит. Но так мы получим только ее химический состав, а вот если к нему добавить информацию, например с инфракрасных спектрометров и с камер видимого диапазона, то можно получить более наглядную картину, включающую геологический состав поверхности.
Так, с помощью гамма-спектрометрии ученые узнали об относительно высоких концентрациях ториевых, железных и титановых руд на Луне. Радиоактивные породы тоже хорошо искать этим методом. С помощью гамма-спектрометра на аппарате Mars Odyssey удалось обнаружить на Марсе два района с аномально высоким содержанием ториевых и, вероятно, урановых руд. Вполне возможно, что там когда-то происходили процессы (как на Земле, в Африке) с образованием естественного атомного реактора. Это обнадеживающая находка означает, что атомные электростанции будущих марсианских поселенцев могут работать на местном сырье.
Космические частицы, врезающиеся в грунт безатмосферных тел, выбивают не только фотоны, но и более крупные элементарные частицы, в том числе нейтроны. Выбитые нейтроны движутся через грунт с высокой скоростью и при столкновениях с каждым атомом водорода теряют много энергии. Соответственно, измеряя энергию вылетающих с поверхности нейтронов можно определить, находится ли под ней водород.
Водород – очень летучий газ, который не задерживается в грунте в свободной форме, особенно там, где атмосферное давление стремится к нулю. Чтобы сохранить водород в грунте, его нужно связать на химическом уровне, и лучшим средством для этого остается вода. Таким образом, пролетая над поверхностью и собирая данные о скоростях вылетающих нейтронов, можно определить примерное содержание воды в грунте. Разумеется, чем ниже мы пролетим, тем точнее будут данные.
Нейтронные спектрометры на орбитальных аппаратах пока дают погрешность в сотню километров. Если использовать специальный ограничитель, называемый «коллиматор», то можно повысить точность до десятков километров. Еще для этого метода ограничена глубина зондирования. Все нейтроны вылетают с глубины не ниже 1 метра, поэтому о запасах воды в более глубоких слоях остается только догадываться и полагаться на другие методы исследования.
С помощью российских нейтронных детекторов LEND и HEND, были получены данные о распределении водорода/воды в приповерхностных слоях Луны и Марса. И если марсианские данные уже дважды подтвердились, то лунные еще ждут своей проверки.
На Марсе в приполярный регион высадился посадочный модуль Phoenix, и там, где HEND прогнозировал до 70 % воды в грунте, прямо под пылью нашелся пласт водяного льда. В кратере Гейла, где работает марсоход Curiosity, HEND обещал 5 %, а по данным марсохода содержание воды в грунте колеблется от 3 % до 5 %, и лишь изредка попадаются «оазисы» аж в 6 %.