Lunar Laser Ranging -eksperiment - Lunar Laser Ranging experiment

Lunar Laser Ranging Experiment fra Apollo 11 -oppdraget

Lunar Laser Ranging (LLR) er praksisen med å måle avstanden mellom jordens og månens overflater ved hjelp av laseravstand . Avstanden kan beregnes ut fra rundturstiden for laserlyspulser som beveger seg med lysets hastighet , som reflekteres tilbake til jorden av månens overflate eller av en av fem retroreflektorer installert på månen under Apollo-programmet ( 11 , 14 , og 15 ) og Lunokhod 1 og 2 oppdrag .

Selv om det er mulig å reflektere lys eller radiobølger direkte fra månens overflate (en prosess kjent som EME ), kan det gjøres en mye mer presis avstandsmåling ved hjelp av retroreflektorer, siden den spredte signalen på grunn av sin lille størrelse er mye mindre.

En anmeldelse av Lunar Laser Ranging er tilgjengelig.

Laseravstandsmålinger kan også utføres med retroreflektorer installert på satellitter i bane rundt månen, for eksempel LRO .

Historie

Apollo 15 LRRR

Apollo 15 LRRR skjematisk

De første vellykkede måneskiftetestene ble utført i 1962 da Louis Smullin og Giorgio Fiocco fra Massachusetts Institute of Technology lyktes i å observere laserpulser reflektert fra månens overflate ved å bruke en laser med en 50J 0,5 millisekunder pulslengde. Lignende målinger ble oppnådd senere samme år av et sovjetisk team ved Krim Astrophysical Observatory ved bruk av en Q-koblet rubinlaser .

Kort tid etter foreslo doktorgradsstudenten ved Princeton University James Faller å plassere optiske reflektorer på månen for å forbedre nøyaktigheten av målingene. Dette ble oppnådd etter installasjonen av et retroreflektormatrise 21. juli 1969 av mannskapet på Apollo 11 . Ytterligere to retroreflektormatriser ble etterlatt av oppdragene Apollo 14 og Apollo 15 . Vellykkede målinger av målerlaserdistanser til retroreflektorene ble først rapportert 1. august 1969 av et 3,1 m teleskop ved Lick Observatory . Observasjoner fra Air Force Cambridge Research Laboratories Lunar Ranging Observatory i Arizona, Pic du Midi Observatory i Frankrike, Tokyo Astronomical Observatory og McDonald Observatory i Texas fulgte snart etter.

De ubemannede sovjetiske Lunokhod 1- og Lunokhod 2 -roverne bar mindre arrayer. Reflekterte signaler ble opprinnelig mottatt fra Lunokhod 1 av Sovjetunionen frem til 1974, men ikke fra vestlige observatorier som ikke hadde presis informasjon om beliggenhet. I 2010 NASA 's Lunar Reconnaissance Orbiter lokalisert Lunokhod en rover på bilder og i april 2010 et team fra University of California varierte matrisen. Lunokhod 2 's matrisen fortsetter å returnere signaler til jorden. Lunokhod -matrisene lider av redusert ytelse i direkte sollys - en faktor som vurderes ved reflektorplassering under Apollo -oppdragene.

Apollo 15 -matrisen er tre ganger størrelsen på matrisene som de to tidligere Apollo -oppdragene etterlot. Dens størrelse gjorde det til målet for tre fjerdedeler av prøvestørrelsene som ble tatt i de første 25 årene av forsøket. Forbedringer i teknologi siden den gang har resultert i større bruk av de mindre matrisene, fra steder som Côte d'Azur -observatoriet i Nice , Frankrike; og Apache Point Observatory Lunar Laser-range Operation (APOLLO) ved Apache Point Observatory i New Mexico .

På 2010 -tallet ble det planlagt flere nye retroreflektorer . Den MÅNESKINN reflektor, som var til å bli plassert ved den private MX-1E Lander, er designet for å øke målenøyaktigheten opp til 100 ganger i løpet av eksisterende systemer. MX-1E skulle starte i juli 2020, men fra februar 2020 har lanseringen av MX-1E blitt kansellert.

Prinsipp

Kommentert bilde av nærsiden av månen som viser plasseringen av retroreflektorer igjen på overflaten av Apollo- og Lunokhod -oppdrag

Avstanden til månen beregnes omtrent ved å bruke ligningen: $distanse = (lyshastighet \times varighet av forsinkelse på grunn av refleksjon) / 2$ . Siden lysets hastighet er en definert konstant, kan konvertering mellom avstand og flytid gjøres uten tvetydighet.

For å beregne måneavstanden nøyaktig må mange faktorer vurderes i tillegg til rundturstiden på omtrent 2,5 sekunder. Disse faktorene inkluderer månens plassering på himmelen, den relative bevegelsen til jorden og månen, jordens rotasjon, månens librering , polar bevegelse , vær , lysets hastighet i forskjellige deler av luften, forplantningsforsinkelse gjennom jordens atmosfære , plasseringen av observasjonsstasjonen og dens bevegelse på grunn av skorpebevegelse og tidevann og relativistiske effekter . Avstanden endres kontinuerlig av flere årsaker, men gjennomsnitt 385 000,6 km (239 228,3 mi) mellom jordens sentrum og månens sentrum. Månens og planetens baner er integrert numerisk sammen med månens orientering som kalles fysisk Librering .

På månens overflate er strålen omtrent 6,5 kilometer bred, og forskere sammenligner oppgaven med å sikte strålen til å bruke et rifle for å treffe en bevegelig krone 3 kilometer unna. Det reflekterte lyset er for svakt til å se med det menneskelige øyet. Av 10 ²¹ fotoner rettet mot reflektoren, mottas bare en tilbake på jorden, selv under gode forhold. De kan identifiseres som stammer fra laseren fordi laseren er svært monokromatisk .

Fra 2009 kan avstanden til månen måles med millimeter presisjon. I relativ forstand er dette en av de mest presise avstandsmålingene som noensinne er gjort, og tilsvarer nøyaktigheten til å bestemme avstanden mellom Los Angeles og New York til innenfor et menneskehårs bredde.

Liste over retroreflektorer

Liste over jordstasjoner

Tabellen nedenfor presenterer en liste over aktive og inaktive Lunar Laser Ranging -stasjoner på jorden.

Lunar Laser Ranging Stations
Stasjon	Akronym	Driftstid	Laserspesifikasjoner	Nøyaktighet
McDonald Observatory , Texas, USA	2,7 m MLRS	1969 - 1985 1985 - 2013	Rubin, 694 nm, 7 J Nd: YAG, 532 nm, 200 ps, 150 mJ
Krim astrofysiske observatorium , USSR	CrAO	1974, 1982 - 1984	Rubin	3,0 - 0,6 m
Côte d'Azur -observatoriet , Grasse, Frankrike	OCA MeO	1984 - 1986 1986 - 2010 2010 - nå (2021)	Rubin, 694 nm Nd: YAG, 532 nm, 70 ps, 75 mJ Nd: YAG, 532 nm & 1.064 μm
Haleakala Observatory , Hawaii, USA	LOKKE	1984 - 1990	Nd: YAG, 532 nm, 200 ps, 140 mJ	2,0 cm
Matera Laser Ranging Observatory, Italia	MLRO	2003 - nå (2021)	Nd: YAG, 532 nm
Apache Point Observatory , New Mexico, USA	APOLLO	2006 - 2020	Nd: YAG, 532 nm, 100 ps, 115 mJ	1,1 mm
Geodetic Observatory Wettzell , Tyskland	WLRS	2018 - nå (2021)	1.064 μm, 10 ps, 75 mJ

Dataanalyse

Lunar Laser Ranging -data samles inn for å trekke ut numeriske verdier for en rekke parametere. Å analysere avstandsdataene involverer dynamikk, terrestrisk geofysikk og månegeofysikk. Modellproblemet involverer to aspekter: en nøyaktig beregning av månens bane og måneorientering, og en nøyaktig modell for tidspunktet for flyturen fra en observasjonsstasjon til en retroreflektor og tilbake til stasjonen. Moderne Lunar Laser Ranging -data kan passe med en 1 cm vektet rms -rest.

Senteret mellom jorden og sentrum av månen blir beregnet av et dataprogram som numerisk integrerer måne- og planetbanene som står for solens gravitasjonsattraksjon, planeter og et utvalg av asteroider.

Det samme programmet integrerer 3-aksen orientering av månen som kalles fysisk Librering .

Seriemodellen inkluderer

Posisjonen til avstandsstasjonen står for bevegelse på grunn av platetektonikk , jordrotasjon , presesjon , mutter og polar bevegelse .

Tidevann i den faste jorden og sesongbevegelsen til den faste jorden i forhold til dens massesenter.
Relativistisk transformasjon av tid og rom koordinater fra en ramme som beveger seg med stasjonen til en ramme som er festet i forhold til solsystemets massesenter. Lorentz sammentrekning av jorden er en del av denne transformasjonen.
Forsinkelse i jordens atmosfære.
Relativistisk forsinkelse på grunn av gravitasjonsfeltene til Solen, Jorden og Månen.
Retroreflektorens posisjon står for månens orientering og tidevann av fast kropp.
Lorentz sammentrekning av månen.
Termisk ekspansjon og sammentrekning av retroreflektorfestene.

For den terrestriske modellen er IERS -konvensjonene (2010) en kilde til detaljert informasjon.

Resultater

Måledata for måling av laserlaser er tilgjengelig fra Paris Observatory Lunar Analysis Center, International Laser Ranging Service -arkiver og de aktive stasjonene. Noen av funnene i dette langsiktige eksperimentet er:

Månens egenskaper

Avstanden til månen kan måles med millimeter presisjon.
Månen spiraler vekk fra Jorden med en hastighet på 3,8 cm/år . Denne hastigheten har blitt beskrevet som unormalt høy.
Månens væskekjerne ble oppdaget av virkningene av kjerne/mantelgrensespredning.
Månen har gratis fysiske librasjoner som krever en eller flere stimulerende mekanismer.
Tidevannsspredning i månen avhenger av tidevannsfrekvensen.
Månen har sannsynligvis en flytende kjerne på omtrent 20% av månens radius. Radiusen til månekjernen-mantelgrensen bestemmes som381 ± 12 km .
Det polare utflating av måne kjerne-mantel grense blir bestemt som(2,2 ± 0,6) × 10 ⁻⁴ .
Den frie kjerne nutasjon av månen bestemmes som367 ± 100 år .
Nøyaktige steder for retroreflektorer fungerer som referansepunkter som er synlige for romfartøyer i bane.

Gravitasjonsfysikk

Einsteins gravitasjonsteori (den generelle relativitetsteorien ) spår månens bane innenfor nøyaktigheten av laseravstandsmålingene.
Målefrihet spiller en stor rolle i en korrekt fysisk tolkning av de relativistiske effektene i Earth-Moon-systemet observert med LLR-teknikk.
Sannsynligheten for enhver Nordtvedt -effekt (en hypotetisk differensialakselerasjon av månen og jorden mot solen forårsaket av deres forskjellige grader av kompakthet) har blitt utelukket til høy presisjon, noe som sterkt støtter det sterke ekvivalensprinsippet .
Den universelle tyngdekraften er veldig stabil. Eksperimentene har begrenset endringen i Newtons gravitasjonskonstant G til en faktor på(2 ± 7) × 10 ⁻¹³ per år.