Кіріспе
Apache Point обсерваториясының Ай лазерлік қашықтық өлшеу операциясы, немесе APOLLO – Нью-Мексикодағы Apache Point обсерваториясында жүргізіліп жатқан жоба. Қосымша рефлекторлар Аполлон-14 және Аполлон-15 ғарышкерлері қалдырды, ал екі француз жасаған рефлектор тізбектері советтік Luna 17 (Lunokhod 1) және Luna 21 (Lunokhod 2) ай роверлері арқылы Айға орналастырылды. Осы жылдар ішінде көптеген топтар мен тәжірибелер осы әдісті Жер-Ай жүйесінің қасиеттерін зерттеу, гравитациялық және басқа да әсерлерді анықтау үшін пайдаланды. Ай лазерлік қашықтық өлшеу экспериментінің алғашқы жылдарында обсерватория мен рефлекторлар арасындағы қашықтық шамамен 25 метрлік дәлдікпен өлшенді. Жаңа техникалар мен жабдықтардың жетілдірілуі 1984 жылға дейін 12 метрге дейінгі дәлдікке жеткізді. Содан кейін Макдональд обсерваториясы қашықтық өлшеу үшін арнайы жүйе (MLRS) құрды және 1980 жылдардың ортасы мен соңында шамамен 3 метрлік дәлдікке қол жеткізді. 1990 жылдардың басында француздық LLR жүйесі Observatoire de la Côte d’Azur (OCA)-да ұқсас дәлдікпен жұмыс істей бастады. Макдональд және OCA станциялары рефлекторлардан кері қайтарылған фотондардың санына байланысты мүмкіндігінше жақсы деректерді жинап отыр. Шағын жақсартуларға мүмкіндік болғанымен, айтарлықтай жақсы деректер алу үшін үлкен телескоп пен жақсы орналасқан жер қажет. Осы мақсатта APOLLO ынтымақтастығы құрылды. APOLLO лазері 2005 жылдың қазанынан бері жұмыс істеп келеді және Жер мен Ай арасындағы миллиметрлік дәлдіктегі қашықтықты үнемі өлшейді.
Басқа сынақтар
Дәлдіктің осы деңгейінде Айдың орбитасын болжау үшін жалпы салыстырмалылық теориясы қажет. Қазіргі сынақтар геодезиялық прецессияны 0,35% дәлдікпен, гравитомагнетизмді 0,1% дәлдікпен өлшейді және гравитацияның күтілгендей 1/r заңдылығына бағынатынын тексереді. APOLLO бұл өлшемдердің бәрін жақсартады.
Жұмыс істеу қағидаттары
АПОЛЛО – алыс нысанадан шағылысқан қысқа импульсті лазердің ұшу уақытын өлшеуге негізделген, бұл жағдайда Ай бетіндегі ретрорефлекторлар тізімі. Әрбір жарық импульсы 100 пикосекундқа (пс) созылады. Бір миллиметрлік қашықтыққа сапардың 6,7 пс-ы ғана сәйкес келеді. Дегенмен, Ай бетіндегі ретрорефлекторлар өзіндік бір миллиметрден астам қателік енгізеді. Олар көбінесе кіріс сәулеге тура бұрышпен орналаспайды, сондықтан ретрорефлекторлардың әртүрлі бұрыштық кубтары транслятордан әртүрлі қашықтықта болады. Бұған себебі – Ай Жерге бір жағымен қарағанымен, дәл солай бола бермейді, ол 10° дейін бұрылып, жанынан-жанына және жоғары-төмен қозғалады. (Либрацияны қараңыз.) Бұл либрациялар Айдың тұрақты жылдамдықпен айналуынан және эллипстік, көлбеу орбитасынан туындайды. Бұл эффект кішкентай сияқты көрінуі мүмкін, бірақ ол ғана емес, өлшенетін, сонымен қатар қашықтықты анықтаудағы ең үлкен белгісіздік құрайды, себебі қай бұрыштық кубтың әр фотонды шағылыстырғанын анықтау мүмкін емес. Ең ірі тізім, 0,6 Аполлон 15 рефлекторы, бұрыштан бұрышқа дейінгі қашықтық айырмашылығы ≈ 1,2 sin(10°) м, немесе 210 мм, немесе 1,4 нс-қа жуық сапар уақытын қамтиды. Орташа квадраттық қателік (RMS) шамамен 400 пс-ты құрайды. Рефлекторға дейінгі қашықтықты 1 мм дәлдікпен, немесе 7 пс орташалау арқылы анықтау үшін кем дегенде (400/7)² ≈ 3000 фотон қажет. Бұл қазіргі өлшемдерді жақсарту үшін неліктен әлдеқайда үлкен жүйе қажет екенін түсіндіреді. APOLLO 2 см RMS қашықтық дәлдігі үшін, тіпті ретрорефлектор тізімінің ең нашар бағытында да, шамамен 10 фотон қажет болды. APOLLO бұл мәселеге үлкен телескоп пен жақсы астрономиялық көру арқылы қарсы тұрады. Екеуі де қазіргі жүйелерге қарағанда едәуір жақсартылған. Макдональд обсерваториясының телескоп станциясымен салыстырғанда, Апачи Пойнт телескопының жарық жинау аймағы 20 есе үлкен. Сондай-ақ, APO орны мен телескопының біріктірілуі бір доға секундтық көруге мүмкіндік береді, бұл бұрынғы Макдональд Айлық қашықтық өлшеу станциясы (MLRS) үшін әдеттегі ≈5 доға секундтан едәуір жақсы. Жақсы көру екі жағынан көмектеседі – ол Ай бетіндегі лазер сәулесінің қарқындылығын арттырады және Айдың фондық шуын азайтады, себебі кішірек қабылдағыш көру өрісі қолданылады, осы арқылы Айдың кішірек бөлігінен жарық жиналады. Екі эффект те көрудің кері квадратына пропорционалды, сондықтан Айдан келетін сигналдың шуға қатынасы көрудің төртінші дәрежесіне кері пропорционалды. Сондықтан APOLLO 20 (үлкен телескоптан) × 25 (жақсы көру үшін) = 500 есе MLRS-ке қарағанда қайтарым сигналының күшін және қосымша сигнал-шу коэффициентін 25 есе (қажеттілерге кедергі келтіретін аз адасқан фотондардан) алуы керек. APOLLO 1,5 м телескопы және 3 секундтық көруі бар OCA LLR құрылғысынан 50 есе күшті сигнал алуы керек. Көбейтілген оптикалық күш импульске бірден артық фотонның келу мүмкіндігінен туындайтын кейбір қиындықтарды тудырады. APOLLO жүйесінің ең жаңа компоненті – детекторда қолданылатын жеке фотондық лавиналық диодтардың (SPAD) интеграцияланған тізімі. Бұл технология әр импульсте бірнеше фотонның келуін өңдеу үшін қажет. Көптеген жеке фотон детекторлары «өлі уақыттан» зардап шегеді: егер бір фотон екінші фотоннан кейін жақын уақытта келсе, ол анықталмайды. Бұл дегеніміз, егер бір импульсте бірнеше фотон қайтып келсе, дәстүрлі жеке фотон детекторлары тек бірінші фотонның келу уақытын тіркеуі мүмкін. Алайда, маңызды шама – барлық қайтарылған фотондардың уақытының центройы (импульс пен рефлекторлар симметриялық деп есептегенде), сондықтан импульске бірнеше фотонды қайтара алатын кез келген жүйе әр фотонның келу уақытын тіркеуі керек. APOLLO-да кіріс фотондар тәуелсіз детекторлар тізіміне таратылады, бұл екі немесе одан да көп фотонның кез келген детекторға тию мүмкіндігін азайтады.
Модельдеу станцияларының орналасуы
Кез келген лазерлік қашықтық өлшеу станциясы, АПОЛЛО да оның ішінде, телескоптан рефлекторға дейінгі уақытты, демек қашықтықты өлшейді. Бірақ Ай қашықтығын зерттеу үшін қажет нәрсе – Жердің және Айдың массалық орталықтары арасындағы қашықтық. Мұны істеу үшін телескоп пен рефлекторлардың орналасуы салыстырмалы дәлдікпен (бірнеше мм) белгілі болуы керек. Телескоп пен рефлекторлар екеуі де тұрақты құрылымдар болғандықтан, оларды дәл өлшеп, содан кейін олардың орны белгілі болады деп ойлауға болады. Бұл ай үшін жаман емес, себебі Ай тыныш ортада. Бірақ Жер үшін станциялар осы масштабта қозғалады: Жердің полярлық осі қозғалады және Жердің айналуы тұрақсыз. Полярлық ось түрлі себептерге байланысты қозғалады, олардың кейбіреулері болжамды (Ай Жердің су тасқынына айналымдық күш түсіреді), ал кейбіреулері өзгермелі (тастар соңғы мұз дәуірінен қалпына келеді, ауа райы). Ауа райы да Жердің айналуына әсер етеді, судың үлкен массаларын жылжыту арқылы. Бұл әсерлер көптеген басқа ғылыми жобалар үшін де маңызды, тіпті оларды бақылау үшін жеке агенттік бар – Халықаралық Жер айналысы және анықтамалық жүйелер қызметі. Станциялар су тасқыны мен судың қозғалысынан қозғалады. Ай Жерге тұрақталғандықтан, салыстырмалы түрде кішкентай және қайталанатын, шамамен 10 см биіктіктегі су тасқындары болады. Жердің қатты қабығында 12 сағат сайын шамамен 35 см-ге дейін өзгеретін үлкен су тасқындары болады. Жер қыртысы мұздықтан кейінгі қайта көтерілу және шөгінділердің тасымалдануынан туындаған ұзақ мерзімді өзгерістерге жауап ретінде өзгеріп отырады. Жердің қысқа мерзімді ауа райы телескоптың орналасуына, негізінен тік бағытта, әсер етуі мүмкін. Әртүрлі ауа райы әсерлері Жер қыртысының жергілікті аймақтарын жүктей алады, қабықты бірнеше миллиметрге түсіреді. Бұл әсерлер атмосферадан (Жер бетінде жоғары қысымды жүйелер қысым жасайды) және мұхиттан (су жағалауда жиналып, жер қыртысын қысады) туындайды. Жаңбырдың салдарынан жер асты суының өзгеруі де телескоптың орналасуына әсер етеді. Күн сәулесінің қысымы Ай орбитасын ортасынан сәл ығыстырады. Бұл шамамен 3,65 мм болатын шағын әсер, бірақ ол ЭП бұзушылық әсерін имитациялайтындықтан ерекше маңызды. Тіпті континенттік қозғалысты да ескеру керек. Сонымен қатар, Жер атмосферасы қосымша кешігуге әкеледі, өйткені жарық жылдамдығы атмосфера арқылы сәл баяулайды. Бұл Apache Point-тен тікелей жоғары қарағанда шамамен 1,6 метрге тең. Бұл кешігу де ауа райына, әсіресе атмосфералық қысымға байланысты, ол жер үстінде қанша ауа бар екенін анықтайды. Бұл әсерлердің көпшілігі ауа райымен байланысты болғандықтан, сонымен қатар, көбінесе спутниктік лазерлік қашықтық өлшеуге де әсер етеді, қашықтық өлшеу станциялары дәстүрлі түрде ауа райы станцияларын қамтиды, жергілікті температураны, қысымды және салыстырмалы ылғалдылықты өлшейді. АПОЛЛО мұның бәрін өлшейтін болады, сонымен қатар жергілікті гравитацияны өте дәл өлшейді, дәл гравиметрді пайдаланады. Бұл құрал телескоптың Жер орталығына жақындаған немесе алыстаған кезде гравитацияның өзгеруін өлшеу арқылы 0,1 мм-ге дейінгі тік орын ауыстыруларын сезе алады. Осы өлшемдерді пайдаланып ғалымдар телескоптың нақты орнын және атмосферадағы кешігуді модельдеуге және болжауға тырысады, содан кейін оларды өтеуге болады. Су тасқыны өте болжамды, ал Жердің айналуын IERS өлшейді және оны ескеруге болады. Атмосфералық кешігу жақсы түсініледі және тек қысымды өлшеу арқылы анықталады. Ерте модельдерде орынды биіктік бұрыштары үшін 5–10 мм диапазонында белгісіздіктер болды, бірақ соңғы жұмыстар горизонттан 10 градусқа дейін 3 мм дәлдікті және 20–30° биіктіктен жоғары субмиллиметрлік өнімділікті қамтамасыз ететін модельді жасады. Ауа райы, мүмкін, ең үлкен қателік көзі. Атмосфералық жүктеме телескоптағы барометриялық қысым мен 1000 радиустағы орташа қысымнан бағаланады. Мұхит жүктемесі эмпирикалық модельдермен қатаң түрде қарастырылды, ал жер асты сулары көбінесе ескерілмеді. АПОЛЛО өлшеулердің толық дәлдігіне жету үшін барлық осы модельдерді жақсартуды талап етеді.
The Earth's polar axis moves and the Earth's rotation is irregular. The polar axis moves due to various causes, some predictable (the Moon exerts a torque on Earth's tidal bulge) and some variable (rocks are rebounding from the last ice age, weather). Weather also affects the Earth's rotation, by moving large masses of water around. These effects, important to many other science projects as well, even have their own agency to keep track of them—the International Earth Rotation and Reference Systems Service. The stations move due to tides. The Moon, since it is tidally locked to the Earth, has relatively small and repeatable tides of about 10 cm. The solid Earth has larger tides, oscillating about 35 cm peak to peak, every 12 hours. The Earth's crust changes in response to long term fluctuations such as post glacial rebound and loading caused by sediment transport. The Earth's short term weather can also affect the location of the telescope, primarily vertically. Various weather effects can load local regions of the Earth's crust, depressing the crust by a few millimeters. These effects come from the atmosphere (high pressure systems press on the Earth's surface), and the ocean (water piles up on the coast depressing the crust). Ground water fluctuations, caused by rain, can also affect the telescope location. The pressure of sunlight pushes the Moon's orbit slightly off center. This is a small effect, about 3.65 mm, but it is particularly important since it mimics the effect of an EP violation. Even continental drift must be compensated for. In addition, the Earth's atmosphere causes an additional delay, since the speed of light is slightly slower through the atmosphere. This amounts to about 1.6 meters when looking straight up at Apache Point. This delay is also affected by weather, primarily atmospheric pressure, which determines just how much air there is above the site. Since many of these effects are weather related, and also affect the more common satellite laser ranging, ranging stations traditionally include weather stations, measuring local temperature, pressure, and relative humidity. APOLLO will measure all these, plus measure local gravity very precisely, using a precision gravimeter. This instrument is capable of sensing vertical displacements as small as 0.1 mm, by measuring the change in gravity as the observatory moves closer to or farther from the Earth's center. Using all these measurements, scientists try to model and predict the exact location of the telescope, and the delays through the atmosphere, so they can compensate for them. The tides are fairly predictable, and the Earth's rotation is measured by the IERS and can be accounted for. Atmospheric delay is fairly well understood, and is dominated by the pressure measurement alone. Early models had uncertainties in the 5–10 mm range for reasonable elevation angles, though more recent efforts have produced a model claiming 3 mm accuracy down to 10 degrees above the horizon, and sub millimeter performance above 20–30° elevation. The weather is perhaps the biggest error source. Atmospheric loading is estimated from the barometric pressure at the telescope and the average pressure within a 1000 radius. Ocean loading has been handled strictly by empirical models, and ground water has been largely ignored. APOLLO will probably require improvements in all these models to reach the full accuracy of the measurements.
Ашылғандар
2010 жылдың сәуірінде АПОЛЛО тобы Айды зерттеу орбитасынан алынған фотосуреттердің көмегімен ұзақ уақыттан бері жоғалған Луноход-1 роверін тапты және оның лазерлік ретрорефлекторынан сигнал алғандығын хабарлады. 2010 жылдың күзіне қарай ровердің орналасқан жері үшбұрышпен анықталды (Жердің айналысы мен Айдың либрациясының әртүрлі нүктелерінен қашықтық өлшеулерді пайдалану арқылы) шамамен бір сантиметрге дейін. Айдың шетіндегі орналасуы, сондай-ақ роверді тіпті күн сәулесінде де қашықтықтан анықтау мүмкіндігі, Жер-Ай жүйесінің түрлі аспектілерін анықтау үшін өте пайдалы болады деп күтілуде. АПОЛЛО ынтымақтастығы Айдың рефлекторларының оптикалық тиімділігі толық ай кезінде төмендейтінін анықтады. Бұл әсер 1970 жылдардың басындағы өлшемдерде байқалмаған, 1980 жылдары көзге көрінді, бірақ айқын емес еді, ал қазір өте маңызды; толық ай кезінде сигнал шамамен 10 есе азайды. Бұл себептің шаңның рефлектор бетіне жиналуынан туындаған температура градиенттері деп болжануда, бұл кері қайтарылған сәулені бұрмалайды. 2010 жылдың желтоқсан айындағы толық ай тұтылуы кезіндегі өлшемдер бұл себептің жылу әсері екенін растады. Барлық 5 рефлектор (үш Аполлон және екі Луноход) үздіксіз қашықтықтан анықталды. Жеке импульсте 12 фотонға дейін (детектормен шектелген, бірақ одан да көп болуы мүмкін) тіркелді. Бірнеше минут бойы импульске шамамен 3 фотоннан тұрақты ағын байқалды. Бұл бұрынғы зерттеулермен салыстырғанда 65 есе көп фотонға тең. Бір ай циклінде (жалпы 5 сағаттық жұмыс істеу кезінде) 50 000 фотонға дейін анықталды. 2011 жылдың ортасына қарай қашықтық өлшеудің дәлдігі (бір сессия үшін) бір рефлекторға шамамен 1,8 тең деп есептелді, ал Айдың орбитасы шамамен 15 мм дәлдікпен анықталды. Өлшемдер мен теория арасындағы айырмашылық қашықтық өлшеудегі жүйелі қателерге, осы деңгейде маңызды болатын әртүрлі дәстүрлі әсерлерді жеткіліксіз модельдеуге немесе гравитация теориясының шектеулеріне байланысты болуы мүмкін. Бұл сәйкессіздік жаңа физикадан туындауы мүмкін болғанымен, модельдеудің жеткіліксіздігі күдік тудырады, өйткені бұл өте күрделі және қиын процесс екені белгілі. APOLLO-ның триллионнан астам өлшемдердің дәлдігін жақсартуына мүмкіндік беру үшін 2016 жылы цезий атомдық сағаты және калибрлеу жүйесі жаңартылды. Жаңа жүйе орнатылғаннан кейін, мүмкін болатын дәлдік 2 мм-ден де жоғары болады. Алайда, сағаттың өзгеруін мұқият тіркеуге алғанда, ескі деректерді жаңа түсініктер негізінде қайта талдауға мүмкіндік болды және дәлдіктің көп бөлігі қалпына келтірілді. Бұрынғы өлшемдердің дәлдігін растау және одан да дәл жаңа өлшемдер жасау арқылы теория мен эксперимент арасындағы әлі де шешілмеген 15 мм сәйкессіздік енді теориялық модельдерге нығайтылды.