Lunar Laser Ranging experiment - Lunar Laser Ranging experiment

Lunar Laser Ranging Experiment från Apollo 11 -uppdraget

Lunar Laser Ranging (LLR) är praxis för att mäta avståndet mellan jordens och månens ytor med hjälp av laseravstånd . Avståndet kan beräknas från rundturstiden för laserljuspulser som färdas med ljusets hastighet , som reflekteras tillbaka till jorden av månens yta eller av en av fem retroreflektorer installerade på månen under Apollo-programmet ( 11 , 14 , och 15 ) och Lunokhod 1 och 2 uppdrag .

Även om det är möjligt att reflektera ljus eller radiovågor direkt från månens yta (en process som kallas EME ), kan en mycket mer exakt avståndsmätning göras med hjälp av retroreflektorer, eftersom den reflekterade signalen på grund av sin lilla storlek är mycket mindre.

En översyn av Lunar Laser Ranging finns tillgänglig.

Laseravståndsmätningar kan också göras med retroreflektorer installerade på månbana satelliter som LRO .

Historia

Apollo 15 LRRR

Apollo 15 LRRR schematisk

De första framgångsrika måntestningarna utfördes 1962 när Louis Smullin och Giorgio Fiocco från Massachusetts Institute of Technology lyckades observera laserpulser reflekterade från månens yta med hjälp av en laser med en 50J 0,5 millisekund pulslängd. Liknande mätningar erhölls senare samma år av ett sovjetiskt team vid Crimean Astrophysical Observatory med en Q-switchad rubinlaser .

Kort därefter föreslog doktoranden vid Princeton University James Faller att placera optiska reflektorer på månen för att förbättra mätningarnas noggrannhet. Detta uppnåddes efter installationen av en retroreflektormatris den 21 juli 1969 av besättningen på Apollo 11 . Ytterligare två retroreflektorgrupper lämnades av uppdragen Apollo 14 och Apollo 15 . Framgångsrika målarlasermätningar till retroreflektorerna rapporterades första gången den 1 augusti 1969 av 3,1 m teleskopet vid Lick Observatory . Observationer från Air Force Cambridge Research Laboratories Lunar Ranging Observatory i Arizona, Pic du Midi -observatoriet i Frankrike, Tokyo Astronomical Observatory och McDonald Observatory i Texas följde snart.

De obemannade sovjetiska Lunokhod 1 och Lunokhod 2 -roversna bar mindre arrayer. Reflekterade signaler mottogs ursprungligen från Lunokhod 1 av Sovjetunionen fram till 1974, men inte av västerländska observatorier som inte hade exakt information om platsen. Under 2010 hittade NASA : s Lunar Reconnaissance Orbiter Lunokhod 1 -rovern på bilder och i april 2010 varierade ett team från University of California gruppen. Lunokhod 2 : s array fortsätter att returnera signaler till jorden. Lunokhod -matriserna lider av minskad prestanda i direkt solljus - en faktor som beaktas vid reflektorplacering under Apollo -uppdragen.

Apollo 15 -matrisen är tre gånger storleken på de matriser som lämnats av de två tidigare Apollo -uppdragen. Dess storlek gjorde det till målet för tre fjärdedelar av provmätningarna som gjordes under de första 25 åren av experimentet. Förbättringar i teknik sedan dess har resulterat i större användning av de mindre matriserna från platser som Côte d'Azur -observatoriet i Nice , Frankrike; och Apache Point Observatory Lunar Laser-range Operation (APOLLO) vid Apache Point Observatory i New Mexico .

Under 2010 -talet planerades flera nya retroreflektorer . Den Moonlight reflektor som skulle placeras av den privata MX-1E lander, har utformats för att öka mätnoggrannheten upp till 100 gånger jämfört med befintliga system. MX-1E skulle lanseras i juli 2020, men från och med februari 2020 har lanseringen av MX-1E avbrutits.

Princip

Kommenterad bild av månens nära sida som visar platsen för retroreflektorer kvar på ytan av Apollo- och Lunokhod -uppdrag

Avståndet till månen beräknas ungefär med hjälp av ekvationen: $distans = (ljusets hastighet \times fördröjningstiden på grund av reflektion) / 2$ . Eftersom ljusets hastighet är en definierad konstant kan omvandling mellan avstånd och tid för flygning göras utan tvetydighet.

För att beräkna månavståndet exakt måste många faktorer beaktas utöver rundturstiden på cirka 2,5 sekunder. Dessa faktorer inkluderar månens placering på himlen, jordens och månens relativa rörelse, jordens rotation, månlibrering , polarrörelse , väder , ljusets hastighet i olika delar av luften, fördröjningsfördröjning genom jordens atmosfär , platsen för observationsstationen och dess rörelse på grund av skorporörelse och tidvatten och relativistiska effekter . Avståndet ändras kontinuerligt av flera anledningar, men i genomsnitt 385 000,6 km (239 228,3 mi) mellan jordens centrum och månens centrum. Månens och planets banor integreras numeriskt tillsammans med månens orientering som kallas fysisk Librering .

Vid månens yta är strålen cirka 6,5 kilometer bred och forskare liknar uppgiften att rikta strålen mot att använda ett gevär för att träffa en rörlig krona 3 kilometer bort. Det reflekterade ljuset är för svagt för att se med det mänskliga ögat. Av 10 ²¹ fotoner riktade mot reflektorn tas endast en tillbaka på jorden, även under goda förhållanden. De kan identifieras som kommer från lasern eftersom lasern är mycket monokromatisk .

Från och med 2009 kan avståndet till månen mätas med millimeter precision. I relativ bemärkelse är detta en av de mest exakta avståndsmätningarna som någonsin gjorts och motsvarar i noggrannhet bestämningen av avståndet mellan Los Angeles och New York till inom ett människohårs bredd.

Lista över retroreflektorer

Lista över jordstationer

Tabellen nedan presenterar en lista över aktiva och inaktiva Lunar Laser Ranging -stationer på jorden.

Lunar laser varierande stationer
Station	Akronym	Drifttid	Laserspecifikationer	Noggrannhet
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
Krimastrofysiska observatoriet , Sovjetunionen	CrAO	1974, 1982 - 1984	Rubin	3,0 - 0,6 m
Côte d'Azur -observatoriet , Grasse, Frankrike	OCA MeO	1984 - 1986 1986 - 2010 2010 - nu (2021)	Rubin, 694 nm Nd: YAG, 532 nm, 70 ps, 75 mJ Nd: YAG, 532 nm & 1,064 μm
Haleakala Observatory , Hawaii, USA	LOCKA	1984 - 1990	Nd: YAG, 532 nm, 200 ps, 140 mJ	2,0 cm
Matera Laser Ranging Observatory, Italien	MLRO	2003 - nu (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 - nu (2021)	1,064 μm, 10 ps, 75 mJ

Dataanalys

Lunar Laser Ranging -data samlas in för att extrahera numeriska värden för ett antal parametrar. Analys av områdesdata involverar dynamik, terrestrisk geofysik och mångeofysik. Modellproblemet innefattar två aspekter: en exakt beräkning av månens bana och månorientering och en exakt modell för tiden för flygning från en observationsstation till en retroreflektor och tillbaka till stationen. Moderna Lunar Laser Ranging -data kan passa med en 1 cm vägd rms -rest.

Avståndet från jordens centrum till mitten av månen beräknas av ett datorprogram som numeriskt integrerar månens och planetens banor som står för solens, planetens, och ett urval av asteroider.

Samma program integrerar månens 3-axliga orientering som kallas fysisk Librering .

Utbudsmodellen inkluderar

Positionen för den varierande stationen redogör för rörelse på grund av platttektonik , jordrotation , precession , nutation och polär rörelse .

Tidvatten i fast jord och säsongsrörelse för den fasta jorden med avseende på dess masscentrum.
Relativistisk omvandling av tid och rymdkoordinater från en ram som rör sig med stationen till en ram fixerad med avseende på solsystemets masscentrum. Lorentz sammandragning av jorden är en del av denna transformation.
Fördröjning i jordens atmosfär.
Relativistisk fördröjning på grund av gravitationens fält i solen, jorden och månen.
Retroreflektorns position står för månens orientering och tidvatten för fast kropp.
Lorentz sammandragning av månen.
Termisk expansion och sammandragning av retroreflektorfästena.

För den markbundna modellen är IERS -konventionerna (2010) en källa till detaljerad information.

Resultat

Lunarlasermätningsdata är tillgängliga från Paris Observatory Lunar Analysis Center, International Laser Ranging Service -arkiv och de aktiva stationerna. Några av resultaten från detta långsiktiga experiment är:

Månens egenskaper

Avståndet till månen kan mätas med millimeter precision.
Månen spiralerar bort från jorden med en hastighet av 3,8 cm/år . Denna hastighet har beskrivits som avvikande hög.
Månens vätskekärna detekterades från effekterna av kärna/mantelgränsförlust.
Månen har fria fysiska librationer som kräver en eller flera stimulerande mekanismer.
Tidvattenförlust i månen beror på tidvattenfrekvensen.
Månen har förmodligen en flytande kärna på cirka 20% av månens radie. Radien för månens kärna-mantelgräns bestäms som381 ± 12 km .
Den polära utplattningen av månkärnans mantelgräns bestäms som(2,2 ± 0,6) × 10 ⁻⁴ .
Månens fria kärnmutter bestäms som367 ± 100 år .
Exakta platser för retroreflektorer fungerar som referenspunkter som är synliga för rymdfarkoster i omlopp.

Gravitationsfysik

Einsteins tyngdkraftsteori (den allmänna relativitetsteorin ) förutspår månens bana inom noggrannheten hos laseravståndsmätningarna.
Mätarfrihet spelar en viktig roll för en korrekt fysisk tolkning av de relativistiska effekterna i jordmånsystemet observerade med LLR-teknik.
Sannolikheten för någon Nordtvedt -effekt (en hypotetisk differentiell acceleration av månen och jorden mot solen orsakad av deras olika kompakthetsgrader) har uteslutits med hög precision, vilket starkt stöder den starka ekvivalensprincipen .
Den universella tyngdkraften är mycket stabil. Experimenten har begränsat förändringen i Newtons gravitationskonstant G till en faktor av(2 ± 7) × 10 ⁻¹³ per år.

Galleri

Apollo 14 Lunar Ranging Retro Reflector ( LRRR )
APOLLO samarbetsfotonpulsreturtider
Laser omfattande anläggning vid Wettzell grundläggande station , Bayern , Tyskland
Laser Ranging på Goddard Space Flight Center