Измерение расстояния до Луны лазерным лучом

Введение

Измерение расстояния между Землей и Луной с помощью лазерного луча

Лунное лазерное дальноме́рение (LLR) – это метод измерения расстояния между поверхностями Земли и Луны посредством лазерной локации. Расстояние вычисляется по времени прохождения лазерных импульсов в обе стороны со скоростью света, которые отражаются обратно на Землю от поверхности Луны или от одного из нескольких ретрорефлекторов, установленных на ней. Три ретрорефлектора были доставлены американской программой «Аполлон» (миссии 11, 14 и 15), два – советскими миссиями «Луноход-1» и «Луноход-2», а один – индийской миссией «Чандраян-3». Хотя возможно отражать свет или радиоволны непосредственно от лунной поверхности (процесс, известный как EME), гораздо более точные измерения дальности достигаются с использованием ретрорефлекторов, поскольку их небольшой размер обеспечивает меньшее временное разрешение отраженного сигнала и более равномерное отражение с меньшим рассеянием. Лазерное дальноме́рение также может проводиться с использованием ретрорефлекторов, установленных на спутниках, обращающихся вокруг Луны, таких как LRO.

История

Первые успешные измерения расстояния до Луны были проведены в 1962 году, когда Луи Смуллину и Джорджио Фиоко из Массачусетского технологического института смогли зафиксировать лазерные импульсы, отраженные от поверхности Луны, используя лазер с энергией 50 Дж и длительностью импульса 0,5 миллисекунды. Позже в том же году аналогичные измерения были получены советской группой в Крымской астрофизической обсерватории с помощью рубинового Q-переключаемого лазера. Вскоре после этого, аспирант Принстонского университета Джеймс Фаллер предложил разместить на Луне оптические отражатели для повышения точности измерений. Это было реализовано после установки ретрорефлекторной установки 21 июля 1969 года экипажем «Аполлона-11». Еще две ретрорефлекторные установки были доставлены миссиями «Аполлон-14» и «Аполлон-15». Первые успешные лазерные измерения расстояния до Луны с использованием ретрорефлекторов были зарегистрированы 1 августа 1969 года 3,1-метровым телескопом обсерватории Лик. Ретрорефлекторная установка «Луноход-2» продолжает передавать сигналы на Землю. Установки «Луноход» демонстрируют снижение эффективности под прямыми солнечными лучами – фактор, который учитывался при выборе мест установки отражателей в ходе миссий «Аполлон». Ретрорефлекторная установка «Аполлона-15» в три раза больше установок, доставленных двумя предыдущими миссиями «Аполлон». Благодаря своим размерам, она стала объектом для трех четвертей из всех измерений, проведенных в первые 25 лет эксперимента. Последующие улучшения в технологиях привели к более широкому использованию меньших установок, таких как обсерватория Côte d'Azur в Ницце, Франция, и установка Lunar Laser ranging Operation (APOLLO) в обсерватории Apache Point в Нью-Мексико. В 2010-х годах планировалась установка нескольких новых ретрорефлекторов. Ретрорефлектор MoonLIGHT, который должен был быть доставлен частным посадочным модулем MX 1E, был разработан для повышения точности измерений в 100 раз по сравнению с существующими системами. Запуск MX 1E был запланирован на июль 2020 года, однако по состоянию на февраль 2020 года запуск MX 1E был отменен. В августе 2023 года индийский лунный аппарат «Чандраян-3» успешно установил шестой ретрорефлектор на Луне.

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.

Анализ данных

Данные лунного лазерного дальномерения собираются для определения численных значений ряда параметров. Анализ данных о дальности включает в себя динамику, земную и лунную геофизику. Задача моделирования состоит из двух аспектов: точное вычисление лунной орбиты и лунной ориентации, а также точная модель времени прохождения сигнала от наблюдательной станции до ретрорефлектора и обратно. Современные данные лунного лазерного дальномерения могут быть аппроксимированы с взвешенной среднеквадратичной ошибкой в 1 см. Расстояние от центра Земли до центра Луны вычисляется программой, которая численно интегрирует лунные и планетарные орбиты, учитывая гравитационное притяжение Солнца, планет и отобранных астероидов. Положение измерительной станции, учитывающее движение, вызванное тектоникой плит, вращением Земли, прецессией, нутацией и полярным движением. Приливы в твердой Земле и сезонные движения твердой Земли относительно ее центра масс. Релятивистское преобразование координат времени и пространства из системы отсчета, движущейся вместе со станцией, в систему отсчета, фиксированную относительно центра масс Солнечной системы. Сжатие Лоренца Земли является частью этого преобразования. Задержка сигнала в атмосфере Земли. Релятивистская задержка, вызванная гравитационными полями Солнца, Земли и Луны. Положение ретрорефлектора, учитывающее ориентацию Луны и приливные деформации твердого тела. Сжатие Лоренца Луны. Тепловое расширение и сжатие креплений ретрорефлектора. Для наземной модели подробную информацию содержат Конвенции IERS (2010).

Результаты

Данные измерений лунного лазерного дальномера доступны в Парижской обсерватории, Центре лунного анализа, архивах Международной службы лазерной дальности и на действующих станциях. Некоторые из результатов этого долгосрочного эксперимента: Луна удаляется от Земли по спирали со скоростью 3,8 см в год. Эта скорость была названа аномально высокой. Обнаружение жидкого ядра Луны стало возможным благодаря эффектам диссипации на границе ядра и мантии. Луна обладает свободными физическими либрациями, для возникновения которых необходимы один или несколько стимулирующих механизмов. Диссипация приливной энергии на Луне зависит от частоты приливов. Точные координаты ретрорефлекторов служат ориентирами, видимыми для орбитальных космических аппаратов.

Гравитационная физика

Теория гравитации Эйнштейна (общая теория относительности) предсказывает орбиту Луны с точностью, достижимой при лазерной локации. Вероятность эффекта Нордтветта (гипотетического дифференциального ускорения Луны и Земли в направлении Солнца, обусловленного различной степенью их сжатия) была исключена с высокой точностью, что убедительно подтверждает сильный принцип эквивалентности. Всемирная сила гравитации очень стабильна. Эксперименты ограничили изменение ньютоновской гравитационной постоянной G до значения, не превышающего 2 в год.