Введение

Операция лунного лазерного зондирования обсерватории Apache Point, или APOLLO, – это проект, расположенный в обсерватории Apache Point в Нью-Мексико. Дополнительные отражатели были оставлены астронавтами миссий "Аполлон-14" и "Аполлон-15", а два французских рефлекторных массива были доставлены на Луну советскими лунными миссиями "Луна-17" (Луноход-1) и "Луна-21" (Луноход-2). С тех пор многие группы и эксперименты использовали эту технику для изучения поведения системы Земля-Луна, исследуя гравитационные и другие эффекты. В первые несколько лет Лунного лазерного эксперимента расстояние между обсерваторией и отражателями можно было измерить с точностью около 25. Совершенствование методов и оборудования позволило достичь точности 12 до примерно 1984 года. Затем обсерватория Макдональда построила специализированную систему (MLRS) исключительно для измерения расстояний и в середине-конце 1980-х годов добилась точности примерно 3. В начале 1990-х годов начала работу французская система LLR в обсерватории Лазурного берега (OCA) с аналогичной точностью. Станции Макдональда и OCA собирают данные, которые максимально возможны, учитывая количество фотонов, возвращаемых отражателями. Хотя возможны незначительные улучшения, для получения значительно более точных данных требуется более крупный телескоп и более подходящая площадка. Это основная цель сотрудничества APOLLO. Лазер APOLLO работает с октября 2005 года и регулярно обеспечивает миллиметровую точность измерения расстояний между Землей и Луной.

Другие испытания

На таком уровне точности для предсказания орбиты Луны требуется общая теория относительности. Современные измерения геодезической прецессии достигают точности 0,35%, гравитомагнетизма – 0,1%, а также проверяется, соответствует ли поведение гравитации закону обратных пропорциональных квадратов (1/r). Проект APOLLO позволит улучшить все эти показатели.

Принципы работы

"Аполлон" основан на измерении времени пролета короткого импульсного лазера, отраженного от удаленного объекта – в данном случае, от ретрорефлекторных массивов на Луне. Каждый световой импульс длится 100 пикосекунд (пс). Один миллиметр дальности соответствует всего 6,7 пс времени прохождения туда и обратно. Однако сами ретрорефлекторы на Луне вносят погрешность более миллиметра. Обычно они не расположены под точным прямым углом к входящему лучу, поэтому различные угловые отражатели ретрорефлектора находятся на разных расстояниях от передатчика. Это связано с тем, что Луна, хотя и обращена к Земле одной стороной, делает это не абсолютно точно – она колеблется из стороны в сторону и вверх-вниз на величину до 10°. (См. либрации.) Эти либрации происходят из-за того, что Луна вращается с постоянной скоростью, но имеет эллиптическую и наклоненную орбиту. Этот эффект может показаться незначительным, но он не только измерим, но и является основной неопределенностью при определении дальности, поскольку невозможно установить, какой угловой отражатель отразил каждый фотон. Самый большой массив, рефлектор Apollo 15 калибра 0.6, может иметь разброс расстояний между углами примерно 1.2 sin(10°) м, или 210 мм, или около 1.4 нс времени прохождения. Среднеквадратичное (RMS) отклонение дальности составляет около 400 пс. Для определения расстояния до рефлектора с точностью 1 мм, или 7 пс, путем усреднения требуется не менее (400/7)² ≈ 3000 фотонов. Это объясняет, почему для повышения точности существующих измерений необходима гораздо более крупная система – до "Аполлона" точность дальности RMS в 2 см требовала всего около 10 фотонов, даже при наихудшей ориентации ретрорефлекторного массива. "Аполлон" решает эту проблему, используя более крупный телескоп и улучшенные астрономические условия видимости. Оба параметра значительно улучшены по сравнению с существующими системами. По сравнению с рейнджевой станцией обсерватории Макдональда, телескоп Apache Point имеет в 20 раз большую светособирающую способность. Также значительным преимуществом является улучшенная видимость – комплекс APO и телескоп часто могут достигать видимости в 1 угловую секунду, по сравнению с ≈5 угловыми секундами, типичными для предыдущей лунной рейнджевой станции Макдональда (MLRS). Улучшенная видимость помогает двумя способами: она увеличивает интенсивность лазерного луча на Луне и уменьшает лунный фон, поскольку можно использовать меньшее поле зрения приемника, собирая свет с меньшей площади на Луне. Оба эффекта масштабируются обратно пропорционально квадрату видимости, поэтому отношение сигнал/шум лунного отраженного сигнала обратно пропорционально четвертой степени видимости. Следовательно, "Аполлон" должен получить примерно в 20 (от большего телескопа) × 25 (за счет лучшей видимости) = 500 раз более сильный возвращенный сигнал по сравнению с MLRS, и дополнительный фактор 25 в отношении сигнал/шум (за счет меньшего количества посторонних фотонов, мешающих желаемым). Аналогично, "Аполлон" должен получить сигнал примерно в 50 раз сильнее, чем установка OCA LLR, которая имеет телескоп диаметром 1,5 м и видимость около 3 угловых секунд. Увеличение оптического усиления создает некоторые проблемы из-за возможности получения более одного возвращенного фотона за импульс. Наиболее инновационным компонентом системы "Аполлон" является интегрированный массив однофотонных лавинных диодов (SPAD), используемых в детекторе. Эта технология необходима для обработки нескольких возвратов фотонов в каждом импульсе. Большинство однофотонных детекторов страдают от "мертвого времени": они не могут обнаружить фотон, если он приходит вскоре после другого. Это означает, что если в одном импульсе возвращается более одного фотона, обычный однофотонный детектор зарегистрирует только время прибытия первого фотона. Однако важной величиной является центроид времени всех возвращенных фотонов (при условии симметричности импульса и рефлекторов), поэтому любая система, способная возвращать несколько фотонов за импульс, должна регистрировать время прибытия каждого фотона. В "Аполлоне" входящие фотоны распределяются по массиву независимых детекторов, что снижает вероятность попадания двух или более фотонов в один из детекторов.

Местонахождение станции моделирования

Любая лазерная дальномерная станция, включая APOLLO, измеряет время прохождения, а следовательно, расстояние от телескопа до отражателя (s). Но для науки о лунном диапазоне, действительно необходимо расстояние между центром масс Земли и центром масс Луны. Для этого необходимо знать положение телескопа и отражателей с сопоставимой точностью (несколько миллиметров). Поскольку и телескоп, и отражатели являются неподвижными конструкциями, может показаться, что их можно точно измерить, а затем их положение будет известно впоследствии. Это предположение вполне оправдано для Луны, которая представляет собой спокойную среду. Но для Земли станции значительно смещаются в этом масштабе: полярная ось Земли движется, и вращение Земли нерегулярно. Полярная ось движется из-за различных причин, некоторые из которых предсказуемы (Луна оказывает крутящий момент на приливный выпуклый участок Земли), а некоторые переменны (горные породы восстанавливаются после последнего ледникового периода, погода). Погода также влияет на вращение Земли, перемещая большие массы воды. Эти эффекты, важные и для многих других научных проектов, даже имеют собственное агентство для их отслеживания — Международная служба вращения Земли и систем отсчета. Станции перемещаются из-за приливов и отливов. Луна, поскольку она приливно зафиксирована относительно Земли, имеет относительно небольшие и повторяющиеся приливы около 10 см. На твердой Земле приливы больше, колеблются примерно на 35 см от пика до пика каждые 12 часов. Земная кора меняется в ответ на долгосрочные колебания, такие как постледниковый отскок и нагрузка, вызванная переносом осадочных пород. Краткосрочная погода на Земле также может повлиять на местоположение телескопа, в основном по вертикали. Различные погодные явления могут создавать нагрузку на местные участки земной коры, вызывая ее прогиб на несколько миллиметров. Эти эффекты исходят из атмосферы (системы высокого давления давят на поверхность Земли) и океана (вода накапливается на побережье, вызывая прогиб коры). Колебания грунтовых вод, вызванные дождем, также могут повлиять на местоположение телескопа. Давление солнечного света незначительно смещает орбиту Луны с центра. Это небольшой эффект, около 3,65 мм, но он особенно важен, поскольку имитирует эффект нарушения принципа эквивалентности. Даже дрейф континентов необходимо компенсировать. Кроме того, атмосфера Земли вызывает дополнительную задержку, поскольку скорость света в атмосфере немного меньше. Это составляет около 1,6 метра при взгляде прямо вверх на Апачи-Пойнт. На эту задержку также влияет погода, в первую очередь атмосферное давление, которое определяет, сколько воздуха находится над местоположением. Поскольку многие из этих эффектов связаны с погодой, а также влияют на более распространенный спутниковый лазерный дальномерный метод, дальномерные станции традиционно включают метеостанции, измеряющие местную температуру, давление и относительную влажность. APOLLO будет измерять все это, а также очень точно измерять местную гравитацию с помощью прецизионного гравиметра. Этот прибор способен обнаруживать вертикальные смещения всего 0,1 мм, измеряя изменение гравитации по мере приближения обсерватории к центру Земли или удаления от него. Используя все эти измерения, ученые пытаются смоделировать и предсказать точное местоположение телескопа и задержки в атмосфере, чтобы компенсировать их. Приливы и отливы достаточно предсказуемы, а вращение Земли измеряется IERS и может быть учтено. Атмосферная задержка достаточно хорошо изучена и в основном определяется измерением давления. Ранние модели имели неопределенности в диапазоне 5–10 мм для разумных углов возвышения, хотя более поздние разработки привели к модели, которая заявляет о точности 3 мм до 10 градусов над горизонтом и субмиллиметровой производительности выше 20–30° возвышения. Погода, пожалуй, является самым большим источником ошибок. Атмосферная нагрузка оценивается по барометрическому давлению у телескопа и среднему давлению в радиусе 1000 метров. Океаническая нагрузка рассматривалась строго с помощью эмпирических моделей, а грунтовые воды в значительной степени игнорировались. APOLLO, вероятно, потребует улучшения всех этих моделей для достижения полной точности измерений.

Открытия

В апреле 2010 года команда APOLLO объявила, что с помощью фотографий с орбитального аппарата Lunar Reconnaissance Orbiter они обнаружили давно потерянный луноход «Луноход-1» и получили сигналы отражения от его лазерного ретрорефлектора. К осени 2010 года местоположение лунохода было определено трилатерацией (с использованием измерений расстояния от различных точек вращения Земли и либраций Луны) с точностью до сантиметра. Расположение вблизи лимба Луны, в сочетании с возможностью измерения расстояния до лунохода даже при освещении Солнцем, представляется особенно полезным для определения характеристик системы Земля-Луна. Сотрудничество APOLLO обнаружило, что оптическая эффективность лунных отражателей уменьшается во время полнолуния. Этот эффект отсутствовал в измерениях начала 1970-х годов, был заметен, но незначителен в 1980-х годах, и теперь является весьма существенным: сигнал примерно в 10 раз слабее во время полнолуния. Предполагалось, что причиной является пыль на отражающих панелях, приводящая к температурным градиентам и искажению отраженного луча. Измерения во время полного лунного затмения в декабре 2010 года подтвердили, что тепловые эффекты являются причиной этого явления. Все 5 отражателей (три Apollo и два «Лунохода») регулярно использовались для измерений расстояния. В отдельных импульсах регистрировалось до 12 фотонов (ограничено детектором – возможно, их было больше). Устойчивая скорость составляла около 3 фотонов на импульс в течение нескольких минут. Это примерно в 65 раз больше фотонов, чем было зарегистрировано в предыдущих экспериментах. В течение одного лунного месяца (при общей продолжительности работы 5 часов) было обнаружено до 50 000 отраженных фотонов. По состоянию на середину 2011 года точность определения расстояния (за одну сессию) оценивалась в 1,8 метра на отражатель, в то время как орбита Луны определялась с точностью до 15 мм. Расхождение между измерениями и теорией может быть связано с систематическими ошибками в определении расстояния, недостаточным моделированием различных известных эффектов, которые становятся значимыми при таком уровне точности, или с ограничениями нашей теории гравитации. Хотя нельзя исключать, что это расхождение вызвано новой физикой, наиболее вероятной причиной считается недостаточное моделирование, поскольку это известно как сложная и трудная задача. Для повышения точности измерений APOLLO до уровня, превышающего одну часть на триллион, в 2016 году были добавлены цезиевые атомные часы и усовершенствована система калибровки. С новой системой возможная точность может быть увеличена до 2 мм. Однако тщательное ведение записей позволило повторно проанализировать старые данные с учетом нового понимания вариаций часов, и большая часть точности была восстановлена. Подтвердив точность предыдущих измерений и проведя новые, еще более точные измерения, неразрешенное расхождение между теорией и экспериментом в 15 мм теперь более уверенно приписывается теоретическим моделям.