Жер мен Ай арасы лазер сәулесімен өлшенуі

Кіріспе

Жер мен Ай арасындағы қашықтықты лазер сәулесімен өлшеу

Айлық лазерлік қашықтық өлшеу (LLR) – лазерлік қашықтықтарды пайдалану арқылы Жер мен Айдың беттері арасындағы қашықтықты өлшеу тәжірибесі. Қашықтық жарық жылдамдығымен қозғалатын лазер сәулесі импульстарының Жерге қайтарылып келу уақыты арқылы есептеледі, олар Айдың бетінен немесе Айға орнатылған бірнеше ретрорефлекторлардың бірінен шағылысады. Үш ретрорефлекторды Америка Құрама Штаттарының Аполлон бағдарламасы (11, 14 және 15), екеуін Кеңес Одағының Луноход 1 және 2 миссиялары, ал біреуін Үндістанның Чандраян-3 миссиясы орналастырды. Айдың бетінен жарық немесе радио толқындарын тікелей шағылыстыру мүмкін болғанымен (ЭМЕ процесі деп аталады), ретрорефлекторларды пайдалану арқылы әлдеқайда дәл қашықтық өлшеуге болады, себебі олардың кішігірім өлшемдері шағылысқан сигналдың уақыт бойынша таралуын азайтады және кері шағылыс аз диффузиямен біркелкі болады. Лазерлік қашықтық өлшеуді LRO сияқты Ай орбитасындағы спутниктерге орнатылған ретрорефлекторлар арқылы да жүргізуге болады.

Тарих

Алғашқы сәтті айлық қашықтық өлшеу сынақтары 1962 жылы Луи Смуллин мен Массачусетс технология институтының Джорджио Фиоко 50 Дж 0,5 миллисекундтық импульс ұзындығы бар лазерді пайдаланып, Айдың бетінен шағылған лазерлік импульстерді бақылауға қол жеткізді. Сол жылдың соңында Крым астрофизикалық обсерваториясындағы советтік команда да Q-свитчті рубин лазерін қолдана отырып, ұқсас өлшемдер алды. Одан көп ұзамай, Принстон университетінің аспиранты Джеймс Фаллер өлшеулердің дәлдігін арттыру үшін Айға оптикалық рефлекторларды орналастыруды ұсынды. Бұл 1969 жылдың 21 шілдесінде Аполлон-11 экипажы ретрорефлекторлар массивін орнату арқылы іске асырылды. Аполлон-14 және Аполлон-15 миссиялары кезінде тағы екі ретрорефлекторлық массив қалдырылды. Ретрорефлекторларға лазерлік қашықтық өлшеудің сәтті нәтижелері алғаш рет 1969 жылдың 1 тамызында Лик обсерваториясындағы 3,1 метрлік телескоппен тіркелді. "Луноход-2" массиві Жерге сигналдарды жіберуді жалғастыруда. "Луноход" массиві тікелей күн сәулесінде өнімділігінің төмендеуіне ұшырайды – бұл фактор Аполлон миссиялары кезінде рефлекторларды орналастыру кезінде ескерілді. Аполлон-15 массиві алдыңғы екі Аполлон миссиясы қалдырған массивтерден үш есе үлкен. Оның өлшемі эксперименттің алғашқы 25 жылында жүргізілген өлшемдердің үштен бірін құрады. Содан бері технологияның жетілуі нәтижесінде Азур жағалауы обсерваториясы (Франция, Ницца) және Жаңа Мексикадағы Apache Point обсерваториясындағы Айлық лазерлік қашықтық өлшеу операциясы (APOLLO) сияқты орындарда кішірек массивтерді пайдалану көбейді. 2010 жылдары бірнеше жаңа ретрорефлекторлар жоспарланды. Жеке MX 1E қондырғысымен орналастырылатын MoonLIGHT рефлекторы, қазіргі жүйелерге қарағанда өлшеу дәлдігін 100 есеге дейін арттыруға арналған. MX 1E 2020 жылдың шілдесінде ұшуға жоспарланған, бірақ 2020 жылдың ақпанына қарай MX 1E ұшуы тоқтатылды. 2023 жылдың тамызында Үндістанның "Чандраян-3" Айға қондырғысы алтыншы рефлекторды сәтті орналастырды.

The first successful lunar ranging tests were carried out in 1962 when Louis Smullin and Giorgio Fiocco from the Massachusetts Institute of Technology succeeded in observing laser pulses reflected from the Moon's surface using a laser with a 50J 0.5 millisecond pulse length. Similar measurements were obtained later the same year by a Soviet team at the Crimean Astrophysical Observatory using a Q switched ruby laser. Shortly thereafter, Princeton University graduate student James Faller proposed placing optical reflectors on the Moon to improve the accuracy of the measurements. This was achieved following the installation of a retroreflector array on July 21, 1969 by the crew of Apollo 11. Two more retroreflector arrays were left by the Apollo 14 and Apollo 15 missions. Successful lunar laser range measurements to the retroreflectors were first reported on Aug. 1, 1969 by the 3.1 m telescope at Lick Observatory. Lunokhod 2 array continues to return signals to Earth. The Lunokhod arrays suffer from decreased performance in direct sunlight—a factor considered in reflector placement during the Apollo missions. The Apollo 15 array is three times the size of the arrays left by the two earlier Apollo missions. Its size made it the target of three quarters of the sample measurements taken in the first 25 years of the experiment. Improvements in technology since then have resulted in greater use of the smaller arrays, by sites such as the Côte d'Azur Observatory in Nice, France; and the Apache Point Observatory Lunar Laser ranging Operation (APOLLO) at the Apache Point Observatory in New Mexico. In the 2010s several new retroreflectors were planned. The MoonLIGHT reflector, which was to be placed by the private MX 1E lander, was designed to increase measurement accuracy up to 100 times over existing systems. MX 1E was set to launch in July 2020, however, as of February 2020, the launch of the MX 1E has been canceled. India's Chandrayaan 3 lunar lander successfully placed a sixth reflector on the Moon in August 2023.

Деректерді талдау

Айлық лазерлік қашықтық өлшеу деректері бірқатар параметрлердің сандық мәндерін алу мақсатымен жиналады. Қашықтық деректерін талдау динамика, Жер геофизикасы және Ай геофизикасын қамтиды. Модельдеу мәселесі екі аспектіні қамтиды: Ай орбитасы мен Ай бағытының дәл есептелуі, сондай-ақ бақылау стансасынан ретрорефлекторға және кері стансаға дейінгі уақыттың дәл моделі. Қазіргі заманғы Ай лазерлік қашықтық өлшеу деректері 1 см салмақты RMS қалдықпен сәйкес келеді. Жер ортасынан Ай ортасына дейінгі арақашықтық Күннің, планеталардың және таңдалынып алынған астероидтардың гравитациялық тартылысын ескере отырып, Ай және планеталар орбиталарын сандық түрде интеграциялайтын бағдарлама арқылы есептеледі. Қашықтық өлшеу стансасының орны, тектоникалық плиталардың қозғалысы, Жердің айналуы, прецессия, нутация және полярлық қозғалыс ескеріледі. Жердің қатты қабатындағы толқындар және оның массалық орталығына қатысты қатты Жердің маусымдық қозғалысы. Стансамен бірге қозғалатын координаттар жүйесінен Күн жүйесінің массалық орталығына бекітілген координаттар жүйесіне уақыт пен кеңістіктің координаттарын салыстырмалы түрде түрлендіру. Осы трансформацияның бір бөлігі – Жердің Лоренц жиырылуы. Жер атмосферасындағы кешігу. Күннің, Жердің және Айдың гравитациялық өрістеріне байланысты релятивистік кешігу. Айдың бағыты мен қатты дене толқындарын ескере отырып ретрорефлектордың орны. Айдың Лоренц жиырылуы. Ретрорефлектор ұстағыштарының жылулық кеңеюі мен жиырылуы. Жерлік модель үшін IERS конвенциялары (2010) толыққанды ақпарат көзі болып табылады.

Нәтижелер

Ай лазерлік қашықтығын өлшеу деректері Париж обсерваториясының Ай талдау орталығында, Халықаралық лазерлік қашықтық қызметінің мұрағаттарында және жұмыс істеп тұрған станцияларда қолжетімді. Осы ұзақ мерзімді эксперименттің кейбір нәтижелері: Ай Жерден 3,8 см жылдамдығымен спираль тәрізді алыстап барады. Бұл көрсеткіш қалыптан тыс жоғары деп есептеледі. Айдың сұйық ядросы ядро мен мантия шекарасындағы энергияның таралуы арқылы анықталды. Айда стимул беретін бір немесе бірнеше механизмдерді қажет ететін еркін физикалық либрациялар бар. Ай ішіндегі энергияның таралуы толқын жиілігіне байланысты. Ретрорефлекторлардың дәл орналасқан жерлері орбитадағы ғарыш кемелері үшін анықтамалық нүктелер ретінде қызмет етеді.

Гравитациялық физика

Эйнштейннің гравитация теориясы (жалпы салыстырмалылық теориясы) Ай орбитасын лазерлік қашықтық өлшеулердің дәлдігімен сәйкес болжайды. Нордтведт әсерінің болу ықтималдығы (Ай мен Жердің Күнге қарай әртүрлі тығыздықтарына байланысты болатын гипотетикалық дифференциалдық үдеу) жоғары дәлдікпен жоққа шығарылды, бұл күшті эквиваленттілік принципін нығайта қолдайды. Ғаламдық тартылыс күші өте тұрақты. Эксперименттер Ньютонның гравитациялық тұрақтысы G-нің өзгеруін жылына 2 еседен аспауы мүмкін екенін көрсетті.