Experimento de alcance láser lunar - Lunar Laser Ranging experiment

Experimento de alcance láser lunar de la misión Apolo 11

El rango de láser lunar (LLR) es la práctica de medir la distancia entre las superficies de la Tierra y la Luna utilizando el rango de láser . La distancia se puede calcular a partir del tiempo de ida y vuelta de los pulsos de luz láser que viajan a la velocidad de la luz , que son reflejados hacia la Tierra por la superficie de la Luna o por uno de los cinco retrorreflectores instalados en la Luna durante el programa Apolo ( 11 , 14). , y 15 ) y misiones Lunokhod 1 y 2 .

Si bien es posible reflejar la luz o las ondas de radio directamente desde la superficie de la Luna (proceso conocido como EME ), se puede realizar una medición de rango mucho más precisa utilizando retrorreflectores, ya que debido a su pequeño tamaño, la propagación temporal en la señal reflejada es mayor. mucho más pequeña.

Se encuentra disponible una revisión de Lunar Laser Ranging.

Las mediciones de rango láser también se pueden realizar con retrorreflectores instalados en satélites en órbita lunar como el LRO .

Historia

Apolo 15 LRRR
Esquema del Apolo 15 LRRR

Las primeras pruebas de alcance lunar exitosas se llevaron a cabo en 1962 cuando Louis Smullin y Giorgio Fiocco del Instituto de Tecnología de Massachusetts lograron observar pulsos de láser reflejados desde la superficie de la Luna utilizando un láser con una longitud de pulso de 50J y 0,5 milisegundos. Mediciones similares se obtuvieron más tarde el mismo año por un equipo soviético en el Observatorio Astrofísico de Crimea usando un Q-switched láser de rubí .

Poco después, el estudiante graduado de la Universidad de Princeton , James Faller, propuso colocar reflectores ópticos en la Luna para mejorar la precisión de las mediciones. Esto se logró tras la instalación de un conjunto de retrorreflectores el 21 de julio de 1969 por la tripulación del Apolo 11 . Las misiones Apolo 14 y Apolo 15 dejaron dos matrices de retrorreflectores más . Las mediciones exitosas del alcance del láser lunar a los retrorreflectores fueron reportadas por primera vez el 1 de agosto de 1969 por el telescopio de 3,1 m en el Observatorio Lick . Pronto siguieron las observaciones del Observatorio de Alcance Lunar de los Laboratorios de Investigación de Cambridge de la Fuerza Aérea en Arizona, el Observatorio Pic du Midi en Francia, el Observatorio Astronómico de Tokio y el Observatorio McDonald en Texas.

Los rovers soviéticos sin tripulación Lunokhod 1 y Lunokhod 2 llevaban matrices más pequeñas. Las señales reflejadas fueron recibidas inicialmente desde Lunokhod 1 por la Unión Soviética hasta 1974, pero no por los observatorios occidentales que no tenían información precisa sobre la ubicación. En 2010 la NASA 's Orbitador de Reconocimiento Lunar encuentra el vehículo Lunokhod 1 en las imágenes y en abril de 2010 un equipo de la Universidad de California varió la matriz. La matriz de Lunokhod 2 continúa enviando señales a la Tierra. Las matrices de Lunokhod sufren de un rendimiento reducido a la luz solar directa, un factor que se considera en la ubicación del reflector durante las misiones Apolo.

La matriz del Apolo 15 es tres veces el tamaño de las matrices dejadas por las dos misiones Apolo anteriores. Su tamaño lo convirtió en el objetivo de las tres cuartas partes de las medidas de muestra tomadas en los primeros 25 años del experimento. Las mejoras en la tecnología desde entonces han dado como resultado un mayor uso de los arreglos más pequeños, por sitios como el Observatorio Côte d'Azur en Niza , Francia; y la Operación de alcance láser lunar del Observatorio Apache Point (APOLLO) en el Observatorio Apache Point en Nuevo México .

En la década de 2010 se planificaron varios retrorreflectores nuevos . El reflector MoonLIGHT , que iba a ser colocado por el módulo de aterrizaje privado MX-1E , fue diseñado para aumentar la precisión de la medición hasta 100 veces más que los sistemas existentes. MX-1E estaba programado para lanzarse en julio de 2020, sin embargo, a partir de febrero de 2020, se canceló el lanzamiento del MX-1E.

Principio

Imagen anotada del lado cercano de la Luna que muestra la ubicación de los retrorreflectores dejados en la superficie por las misiones Apolo y Lunokhod

La distancia a la Luna se calcula aproximadamente usando la ecuación: distancia = (velocidad de la luz × duración del retraso debido a la reflexión) / 2 . Dado que la velocidad de la luz es una constante definida, la conversión entre la distancia y el tiempo de vuelo se puede realizar sin ambigüedad.

Para calcular la distancia lunar con precisión, se deben considerar muchos factores además del tiempo de ida y vuelta de aproximadamente 2,5 segundos. Estos factores incluyen la ubicación de la Luna en el cielo, el movimiento relativo de la Tierra y la Luna, la rotación de la Tierra, la libración lunar , el movimiento polar , el clima , la velocidad de la luz en varias partes del aire, el retraso de propagación a través de la atmósfera de la Tierra , la ubicación de la estación de observación y su movimiento debido al movimiento de la corteza y las mareas , y efectos relativistas . La distancia cambia continuamente por varias razones, pero tiene un promedio de 385.000,6 km (239.228,3 millas) entre el centro de la Tierra y el centro de la Luna. Las órbitas de la Luna y los planetas se integran numéricamente junto con la orientación de la Luna llamada Libración física .

En la superficie de la Luna, el rayo tiene aproximadamente 6,5 kilómetros (4,0 millas) de ancho y los científicos comparan la tarea de apuntar el rayo con el uso de un rifle para golpear una moneda de diez centavos en movimiento a 3 kilómetros (1,9 millas) de distancia. La luz reflejada es demasiado débil para verla con el ojo humano. De los 10 21  fotones dirigidos al reflector, solo uno se recibe en la Tierra, incluso en buenas condiciones. Pueden identificarse como originarios del láser porque el láser es muy monocromático .

A partir de 2009, la distancia a la Luna se puede medir con precisión milimétrica. En un sentido relativo, esta es una de las mediciones de distancia más precisas jamás realizadas, y es equivalente en precisión a determinar la distancia entre Los Ángeles y Nueva York dentro del ancho de un cabello humano.

Lista de retrorreflectores

Lista de estaciones terrenas

La siguiente tabla presenta una lista de estaciones de medición láser lunar activas e inactivas en la Tierra.

Estaciones de alcance láser lunar
Estación Acrónimo Intervalo de tiempo de funcionamiento Especificaciones láser Precisión Árbitro
Observatorio McDonald , Texas, EE. UU. 2,7 metros

MLRS

1969-1985

1985 - 2013

Rubí, 694 nm, 7 J

Nd: YAG, 532 nm, 200 ps, ​​150 mJ

Observatorio astrofísico de Crimea , URSS CrAO 1974, 1982-1984 Rubí 3,0 - 0,6 m
Observatorio Côte d'Azur , Grasse, Francia OCA

MeO

1984 - 1986

1986 - 2010

2010 - presente (2021)

Rubí, 694 nm

Nd: YAG, 532 nm, 70 ps, ​​75 mJ

Nd: YAG, 532 nm y 1.064 μm

Observatorio Haleakala , Hawái, EE. UU. SEÑUELO 1984-1990 Nd: YAG, 532 nm, 200 ps, ​​140 mJ 2,0 cm
Observatorio de medición láser de Matera, Italia MLRO 2003 - presente (2021) Nd: YAG, 532 nm
Observatorio Apache Point , Nuevo México, EE. UU. APOLO 2006 - 2020 Nd: YAG, 532 nm, 100 ps, ​​115 mJ 1,1 mm
Observatorio geodésico de Wettzell , Alemania WLRS 2018 - presente (2021) 1.064 μm, 10 ps, ​​75 mJ

Análisis de los datos

Los datos de rango del láser lunar se recopilan con el fin de extraer valores numéricos para una serie de parámetros. El análisis de los datos del rango implica dinámica, geofísica terrestre y geofísica lunar. El problema del modelado involucra dos aspectos: un cálculo preciso de la órbita lunar y la orientación lunar, y un modelo exacto del tiempo de vuelo desde una estación de observación a un retrorreflector y de regreso a la estación. Los datos modernos de rango láser lunar se pueden ajustar con un valor eficaz residual ponderado de 1 cm.

  • La distancia entre el centro de la Tierra y el centro de la Luna se calcula mediante un programa informático que integra numéricamente las órbitas lunares y planetarias, teniendo en cuenta la atracción gravitacional del Sol, los planetas y una selección de asteroides.
  • El mismo programa integra la orientación de 3 ejes de la Luna llamada Libración física .

El modelo de gama incluye

  • Mareas en la Tierra sólida y movimiento estacional de la Tierra sólida con respecto a su centro de masa.
  • Transformación relativista de coordenadas de tiempo y espacio de un marco que se mueve con la estación a un marco fijo con respecto al centro de masa del sistema solar. La contracción de Lorentz de la Tierra es parte de esta transformación.
  • Retraso en la atmósfera terrestre.
  • Retraso relativista debido a los campos de gravedad del Sol, la Tierra y la Luna.
  • La posición del retrorreflector representa la orientación de la Luna y las mareas de cuerpos sólidos.
  • Contracción de Lorentz de la Luna.
  • Expansión y contracción térmica de los soportes del retrorreflector.

Para el modelo terrestre, las Convenciones IERS (2010) son una fuente de información detallada.

Resultados

Los datos de medición del alcance láser lunar están disponibles en el Centro de Análisis Lunar del Observatorio de París, los archivos del Servicio Internacional de Alcance Láser y las estaciones activas. Algunos de los hallazgos de este experimento a largo plazo son:

Propiedades de la Luna

  • La distancia a la Luna se puede medir con precisión milimétrica.
  • La Luna se aleja de la Tierra en espiral a una velocidad de 3,8 cm / año . Esta tasa se ha descrito como anormalmente alta.
  • El núcleo fluido de la Luna fue detectado por los efectos de la disipación de los límites entre el núcleo y el manto.
  • La Luna tiene libraciones físicas gratuitas que requieren uno o más mecanismos estimulantes.
  • La disipación de las mareas en la Luna depende de la frecuencia de las mareas.
  • La Luna probablemente tiene un núcleo líquido de aproximadamente el 20% del radio de la Luna. El radio del límite entre el núcleo y el manto lunar se determina como381 ± 12 km .
  • El aplanamiento polar del límite entre el núcleo y el manto lunar se determina como(2,2 ± 0,6) × 10 −4 .
  • La nutación del núcleo libre de la Luna se determina como367 ± 100 años .
  • Las ubicaciones precisas de los retrorreflectores sirven como puntos de referencia visibles para las naves espaciales en órbita.

Física gravitacional

Galería

Ver también

Referencias

enlaces externos