Lunární laserový experiment - Lunar Laser Ranging experiment

Lunární laserový experiment z mise Apollo 11

Lunar Laser Ranging (LLR) je praxe měření vzdálenosti mezi povrchy Země a Měsíce pomocí laserového měření vzdálenosti . Vzdálenost lze vypočítat z doby round-trip z laserových světelných pulsů, pohybujících se rychlostí světla , které se odrazí zpět na Zemi na povrchu Měsíce nebo od jednoho z pěti retroreflectors instalovaného na Měsíci během programu Apollo ( 11 , 14 a 15 ) a mise Lunokhod 1 a 2 .

Přestože je možné odrážet světelné nebo rádiové vlny přímo z povrchu Měsíce (proces známý jako EME ), mnohem přesnější měření rozsahu lze provést pomocí retroreflektorů, protože kvůli jejich malé velikosti je časové rozpětí v odraženém signálu mnohem menší.

K dispozici je přehled Lunar Laser Ranging.

Laserová měření vzdálenosti lze také provést s retroreflektory instalovanými na družicích obíhajících Měsíc , jako je LRO .

Dějiny

Apollo 15 LRRR

Schéma Apolla 15 LRRR

První úspěšné testy rozsahu měsíce byly provedeny v roce 1962, kdy Louis Smullin a Giorgio Fiocco z Massachusetts Institute of Technology uspěli v pozorování laserových pulsů odražených od povrchu Měsíce pomocí laseru s délkou pulzu 50 J 0,5 milisekundy. Podobné měření byla získána později stejný rok sovětského týmu v krymské astrofyzikální observatoře za použití Q-switched rubínový laser .

Krátce poté postgraduální student Princetonské univerzity James Faller navrhl umístění optických reflektorů na Měsíc, aby se zlepšila přesnost měření. Toho bylo dosaženo po instalaci pole retroreflektorů 21. července 1969 posádkou Apolla 11 . Z misí Apollo 14 a Apollo 15 zbyla další dvě pole retroreflektorů . Úspěšná měření dosahu lunárního laseru na retroreflektory byla poprvé zaznamenána 1. srpna 1969 dalekohledem 3,1 m na observatoři Lick . Brzy následovala pozorování Lunární observatoře Air Force Cambridge Research Laboratories v Arizoně, observatoře Pic du Midi ve Francii, Tokijské astronomické observatoře a McDonald Observatory v Texasu.

Bez posádky sovětské rovery Lunokhod 1 a Lunokhod 2 nesly menší pole. Odražené signály zpočátku přijímal od Lunokhod 1 Sovětský svaz do roku 1974, ale ne západní observatoře, které neměly přesné informace o poloze. V roce 2010 NASA 's Lunar Reconnaissance Orbiter lokalizoval rover Lunokhod 1 na obrázky a v dubnu 2010 tým z Kalifornské univerzity uspořádal pole. Lunokhod 2 ‚s array i nadále k návratu signály k Zemi. Pole Lunokhod trpí sníženým výkonem na přímém slunci - což je faktor uvažovaný při rozmístění reflektorů během misí Apollo.

Pole Apollo 15 je třikrát větší než pole, která zbyla ze dvou předchozích misí Apollo. Jeho velikost z něj činila cíl tří čtvrtin měření vzorků provedených během prvních 25 let experimentu. Vylepšení technologie od té doby vedla k většímu využití menších polí na místech, jako je observatoř Côte d'Azur v Nice ve Francii; a lunární laserová měřicí operace (APOLLO) na observatoři Apache Point Observatory na observatoři Apache Point v Novém Mexiku .

V roce 2010 bylo plánováno několik nových retroreflektorů . Měsíční světlo reflektor, který měl být umístěn soukromý MX-1E Lander, byl navržen tak, aby zvýšení přesnost měření až 100 krát více než stávajících systémů. MX-1E bylo uvedeno na trh v červenci 2020, avšak v únoru 2020 bylo uvedení MX-1E zrušeno.

Zásada

Komentovaný snímek blízké strany Měsíce ukazující umístění retroreflektorů zanechaných na povrchu misemi Apollo a Lunokhod

Vzdálenost k Měsíci se vypočítá přibližně pomocí rovnice: $vzdálenost = (rychlost světla \times doba zpoždění v důsledku odrazu) / 2$ . Protože rychlost světla je definovaná konstanta, lze přepočet mezi vzdáleností a časem letu provést bez nejasností.

Aby bylo možné přesně vypočítat měsíční vzdálenost, je třeba kromě doby zpáteční asi 2,5 sekundy zvážit i mnoho dalších faktorů. Mezi tyto faktory patří umístění Měsíce na obloze, relativní pohyb Země a Měsíce, rotace Země, lunární knihovna , polární pohyb , počasí , rychlost světla v různých částech vzduchu, zpoždění šíření atmosférou Země , poloha pozorovací stanice a její pohyb v důsledku pohybu kůry a přílivu a odlivu a relativistické efekty . Vzdálenost se neustále mění z mnoha důvodů, ale v průměru je 385 000,6 km (239 228,3 mil) mezi středem Země a středem Měsíce. Dráhy Měsíce a planet jsou integrovány numericky spolu s orientací Měsíce nazývanou fyzická Librace .

Na povrchu Měsíce je paprsek široký asi 6,5 kilometru (4,0 mi) a vědci přirovnávají úkol zaměřit paprsek k použití pušky k zasažení pohybujícího se desetníku vzdáleného 3 kilometry (1,9 mil). Odražené světlo je příliš slabé na to, aby bylo vidět lidským okem. Z 10 ²¹ fotonů namířených na reflektor je zpět na Zemi přijat pouze jeden, a to i za dobrých podmínek. Lze je identifikovat jako pocházející z laseru, protože laser je vysoce monochromatický .

Od roku 2009 lze vzdálenost k Měsíci měřit s milimetrovou přesností. V relativním smyslu se jedná o jedno z nejpřesnějších měření vzdálenosti, jaké kdy bylo provedeno, a jeho přesnost odpovídá určení vzdálenosti mezi Los Angeles a New Yorkem na šířku lidského vlasu.

Seznam retroreflektorů

Seznam pozemských stanic

Níže uvedená tabulka uvádí seznam aktivních a neaktivních stanic Lunar Laser Ranging na Zemi.

Lunární laserové stanice
Stanice	Akronym	Provozní doba	Specifikace laseru	Přesnost
Observatoř McDonald , Texas, USA	2,7 m MLRS	1969 - 1985 1985 - 2013	Ruby, 694 nm, 7 J. Nd: YAG, 532 nm, 200 ps, 150 mJ
Krymská astrofyzikální observatoř , SSSR	CrAO	1974, 1982 - 1984	Rubín	3,0 - 0,6 m
Observatoř Côte d'Azur , Grasse, Francie	OCA MeO	1984 - 1986 1986 - 2010 2010 -současnost (2021)	Ruby, 694 nm Nd: YAG, 532 nm, 70 ps, 75 mJ Nd: YAG, 532 nm a 1,064 μm
Observatoř Haleakala , Havaj, USA	NÁVNADA	1984 - 1990	Nd: YAG, 532 nm, 200 ps, 140 mJ	2,0 cm
Matera laserová observatoř, Itálie	MLRO	2003 -současnost (2021)	Nd: YAG, 532 nm
Observatoř Apache Point , Nové Mexiko, USA	APOLLO	2006 - 2020	Nd: YAG, 532 nm, 100 ps, 115 mJ	1,1 mm
Geodetická observatoř Wettzell , Německo	WLRS	2018 - současnost (2021)	1,064 μm, 10 ps, 75 mJ

Analýza dat

Data Lunar Laser Ranging jsou shromažďována za účelem extrahování číselných hodnot pro řadu parametrů. Analýza dat rozsahu zahrnuje dynamiku, pozemskou geofyziku a lunární geofyziku. Problém modelování zahrnuje dva aspekty: přesný výpočet měsíční oběžné dráhy a měsíční orientace a přesný model pro dobu letu z pozorovací stanice na retroreflektor a zpět na stanici. Moderní data o lunárním laseru lze doplnit o 1 cm váženého efektivní hodnoty.

Vzdálenost mezi středem Země a středem Měsíce je vypočítána počítačovým programem, který numericky integruje měsíční a planetární oběžné dráhy, což odpovídá gravitační přitažlivosti Slunce, planet a výběru asteroidů.

Stejný program integruje 3osou orientaci Měsíce nazývanou fyzická Librace .

Model řady zahrnuje

Poloha pohybující se stanice, která odpovídá pohybu v důsledku deskové tektoniky , rotace Země , precese , nutace a polární pohyb .

Příliv a odliv v pevné Zemi a sezónní pohyb pevné Země vzhledem k jejímu těžišti.
Relativistická transformace časových a prostorových souřadnic z rámce pohybujícího se stanicí do rámce fixovaného s ohledem na těžiště sluneční soustavy. Lorentzova kontrakce Země je součástí této transformace.
Zpoždění v zemské atmosféře.
Relativistické zpoždění v důsledku gravitačních polí Slunce, Země a Měsíce.
Poloha reflektoru odrážející orientaci Měsíce a přílivu a odlivu v pevném těle.
Lorentzova kontrakce Měsíce.
Tepelná roztažnost a smrštění držáků retroreflektorů.

U pozemského modelu jsou zdrojem podrobných informací úmluvy IERS (2010).

Výsledek

Údaje o měření lunárního laseru jsou k dispozici z pařížského observatoře Lunar Analysis Center, archivů International Laser Ranging Service a aktivních stanic. Některá zjištění tohoto dlouhodobého experimentu jsou:

Vlastnosti Měsíce

Vzdálenost Měsíce lze měřit s milimetrovou přesností.
Měsíc se spirálovitě vzdaluje od Země rychlostí 3,8 cm/rok . Tato míra byla popsána jako anomálně vysoká.
Tekuté jádro Měsíce bylo detekováno z účinků rozptylu hranice jádra/pláště.
Měsíc má bezplatné fyzické knihovny, které vyžadují jeden nebo více stimulačních mechanismů.
Ztráta přílivu na Měsíci závisí na přílivové frekvenci.
Měsíc má pravděpodobně tekuté jádro asi 20% poloměru Měsíce. Poloměr hranice lunárního jádra-pláště je určen jako381 ± 12 km .
Polární zploštění hranice lunárního jádra-pláště je určeno jako(2,2 ± 0,6) × 10 ⁻⁴ .
Volná jádrová nutace Měsíce je určena jako367 ± 100 ročně .
Přesná umístění reflektorů slouží jako referenční body viditelné pro kosmické lodě na oběžné dráze.

Gravitační fyzika

Einsteinova gravitační teorie ( obecná teorie relativity ) předpovídá oběžnou dráhu Měsíce s přesností měření laserem.
Volnost měřidla hraje hlavní roli ve správné fyzikální interpretaci relativistických efektů v systému Země-Měsíc pozorovaných technikou LLR.
Pravděpodobnost jakéhokoli Nordtvedtova jevu (hypotetické diferenciální zrychlení Měsíce a Země vůči Slunci způsobené jejich různými stupni kompaktnosti) byla s vysokou přesností vyloučena, což silně podporuje princip silné ekvivalence .
Univerzální gravitační síla je velmi stabilní. Experimenty omezily změnu Newtonovy gravitační konstanty G na faktor(2 ± 7) × 10 ⁻¹³ za rok.