Lunar Laser Ranging (LLR) - это практика измерения расстояния между поверхностями Земли и Луны с помощью лазерной локации . Расстояние может быть вычислено по времени обхода из лазерных световых импульсов , распространяющихся на скорости света , которые отражаются обратно на Землю по поверхности Луны или с помощью одного из пяти отражателей , установленных на Луне во время программы Apollo ( 11 , 14 , и 15 ), а также миссии Луноход-1 и 2 . [1]
Хотя можно отражать свет или радиоволны непосредственно от поверхности Луны (процесс, известный как EME ), гораздо более точное измерение может быть выполнено с использованием ретрорефлекторов в известных местах.
Лазерные дальномеры также могут быть выполнены с помощью ретрорефлекторов, установленных на спутниках, находящихся на орбите Луны . [2]
История
Первые успешные испытания для определения местоположения Луны были проведены в 1962 году, когда Луи Смуллину и Джорджио Фиокко из Массачусетского технологического института удалось наблюдать лазерные импульсы, отраженные от поверхности Луны, с помощью лазера с длительностью импульса 50 Дж 0,5 миллисекунды. [3] Аналогичные измерения были получены позже в том же году советской группой в Крымской астрофизической обсерватории с использованием рубинового лазера с модуляцией добротности . [4]
Вскоре после этого аспирант Принстонского университета Джеймс Фаллер предложил разместить на Луне оптические отражатели, чтобы повысить точность измерений. [5] Это было достигнуто после установки решетки ретрорефлекторов 21 июля 1969 года экипажем Аполлона-11 . Еще две группы ретрорефлекторов были оставлены миссиями Аполлон-14 и Аполлон-15 . Успешные измерения дальности до ретрорефлекторов лунным лазером были впервые доложены 1 августа 1969 года на 3,1-метровом телескопе в обсерватории Лик . [5] Наблюдения Air Force Cambridge Research Laboratories Lunar Ранжирование обсерватории в Аризоне, то Пик - дю - Миди обсерватории во Франции, Токио астрономической обсерватории и обсерватории Мак - Дональд в Техасе вскоре последовали.
Советские марсоходы « Луноход-1» и « Луноход-2» без экипажа несли группы меньшего размера. Первоначально отраженные сигналы поступали с Лунохода-1 Советским Союзом до 1974 г., но не западными обсерваториями, у которых не было точной информации о местоположении. В 2010 году НАСА «s Lunar Reconnaissance Orbiter находится на Луноход 1 ровер на изображениях и в апреле 2010 года команда из университета Калифорнии варьировались массив. [6] Луноход 2 «s массив продолжает возвращать сигналы на Землю. [7] Решетки Лунохода страдают от снижения производительности при прямом солнечном свете - фактор, который учитывается при размещении отражателя во время миссий Аполлона. [8]
Массив Аполлона 15 в три раза больше массивов, оставленных двумя предыдущими миссиями Аполлона. Его размер сделал его целью трех четвертей выборки измерений, сделанных в первые 25 лет эксперимента. С тех пор усовершенствования технологий привели к более широкому использованию небольших массивов такими объектами, как Обсерватория Лазурного берега в Ницце , Франция; и Операция по лазерной локации в обсерватории Апач-Пойнт (APOLLO) в обсерватории Апач-Пойнт в Нью-Мексико .
В 2010-х было запланировано несколько новых световозвращателей . MOONLIGHT отражатель, который должен был быть размещен в частной MX-1E шлюпке, была разработана , чтобы повысить точность измерений до 100 раз по сравнению с существующими системами. [9] [10] [11] Запуск MX-1E был запланирован на июль 2020 года, [12] однако по состоянию на февраль 2020 года запуск MX-1E был отменен. [13]
Принцип
Расстояние до Луны приблизительно рассчитывается по формуле: расстояние = (скорость света × продолжительность задержки из-за отражения) / 2
Чтобы точно рассчитать лунное расстояние, необходимо учитывать множество факторов в дополнение к времени прохождения туда и обратно, составляющему около 2,5 секунд. Эти факторы включают расположение Луны в небе, относительное движение Земли и Луны, вращение Земли, лунную либрацию , полярное движение , погоду , скорость света в различных частях воздуха, задержку распространения в атмосфере Земли , расположение наблюдательная станция и ее движение из-за движения земной коры и приливов , а также релятивистских эффектов . [15] Расстояние постоянно меняется по ряду причин, но в среднем составляет 385 000,6 км (239 228,3 миль) между центром Земли и центром Луны. [16]
На поверхности Луны луч имеет ширину около 6,5 километров (4,0 мили) [17] [i], и ученые сравнивают задачу наведения луча с использованием винтовки, чтобы поразить движущуюся монету на расстоянии 3 км (1,9 мили). Отраженный свет слишком слаб, чтобы его можно было увидеть человеческим глазом. Из 10 21 фотонов, направленных на отражатель, только один принимается обратно на Землю даже при хороших условиях. [18] Они могут быть идентифицированы как исходящие от лазера, потому что лазер очень монохроматический .
По состоянию на 2009 год расстояние до Луны можно измерить с точностью до миллиметра. [19] В относительном смысле это одно из самых точных измерений расстояния, когда-либо сделанных, и эквивалентно по точности определению расстояния между Лос-Анджелесом и Нью-Йорком с точностью до человеческого волоса.
Список световозвращателей
Полученные результаты
Данные лазерных локационных измерений Луны доступны в Центре анализа Луны Парижской обсерватории [20] и на действующих станциях. Вот некоторые из результатов этого длительного эксперимента :
Свойства Луны
- Расстояние до Луны можно измерить с точностью до миллиметра. [19]
- Луна удаляется от Земли по спирали со скоростью 3,8 см / год . [17] Этот показатель был описан как аномально высокий. [21]
- Луна, вероятно, имеет жидкое ядро около 20% радиуса Луны. [7] Радиус границы лунного ядра и мантии определяется как381 ± 12 км . [22]
- Полярное уплощение границы лунное ядро-мантия определяется как(2,2 ± 0,6) × 10 −4 . [22]
- Свободное ядро нутации Луны определяется как367 ± 100 лет . [22]
Гравитационная физика
- Теория гравитации Эйнштейна ( общая теория относительности ) предсказывает орбиту Луны с точностью до лазерных измерений. [7] [23]
- Свобода калибровки играет важную роль в правильной физической интерпретации релятивистских эффектов в системе Земля-Луна, наблюдаемых с помощью метода LLR. [24]
- Вероятность любого эффекта Нордтведта (гипотетическое дифференциальное ускорение Луны и Земли по направлению к Солнцу, вызванное их разной степенью компактности) была исключена с высокой точностью [25] [23] [26], что решительно подтверждает строгий принцип эквивалентности .
- Универсальная сила тяжести очень стабильна. Эксперименты ограничили изменение гравитационной постоянной G Ньютона до коэффициента (2 ± 7) × 10 −13 в год. [27]
Фотогалерея
Аполлон-14 - Ретро-отражатель для определения дальности Луны (LRRR)
APOLLO Collaboration Время возврата фотонного импульса
Лазерная локация на фундаментальной станции Веттцелль , Бавария , Германия
Лазерная дальность в Центре космических полетов Годдарда
Смотрите также
- Операция по лазерной локации Луны обсерватории Апач Пойнт
- Пакет Apollo Lunar Surface Experiments
- Том Мерфи (физик) (главный исследователь Лунной лазерной локации обсерватории Apache Point (APOLLO))
- Кэрролл Элли (первый главный исследователь группы лазерных дальномеров Аполлона)
- Связь Земля – Луна – Земля
- Лидар
- Лунное расстояние (астрономия)
- Программа Лунохода
- Спутниковая лазерная локация
- Космическая геодезия
- Сторонние доказательства высадки Аполлона на Луну
- Список световозвращателей на Луне
- Список искусственных объектов на Луне
Рекомендации
- ^ В течение времени кругового обхода наблюдатель Земли будет перемещаться1 км (в зависимости от широты). Это было неправильно представлено как «опровержение» эксперимента по дальности, утверждая, что луч такого маленького отражателя не может поразить такую движущуюся цель. Однако размер луча намного больше, чем любое движение, особенно для отраженного луча.
- ^ Chapront, J .; Шапрон-Тузе, М .; Франсу, Г. (1999). «Определение лунных орбитальных и вращательных параметров и ориентации эклиптической системы отсчета по измерениям LLR и данным IERS». Астрономия и астрофизика . 343 : 624–633. Бибкод : 1999A & A ... 343..624C .
- ^ Мазарико, Эрван; Сунь, Сяоли; Торре, Жан-Мари; Курд, Клеман; Шабе, Жюльен; Аймар, Мурад; Марией, Эрве; Морис, Николас; Баркер, Майкл К .; Мао, Дандан; Кремонс, Дэниел Р. (6 августа 2020 г.). «Первый двусторонний лазерный дальномер до лунного орбитального аппарата: инфракрасные наблюдения от станции Грасс до светоотражателей LRO» . Земля, планеты и космос . 72 (1): 113. DOI : 10,1186 / s40623-020-01243-ш . ISSN 1880-5981 .
- ^ Смуллин, Луи Д .; Фиокко, Джорджио (1962). «Оптическое эхо с Луны». Природа . 194 (4835): 1267. Bibcode : 1962Natur.194.1267S . DOI : 10.1038 / 1941267a0 .
- ^ Бендеры, ПЛ; и другие. (1973). «Эксперимент по обнаружению лунного лазера: точное определение дальности позволило значительно улучшить лунную орбиту и получить новую селенофизическую информацию» (PDF) . Наука . 182 (4109): 229–238. Bibcode : 1973Sci ... 182..229B . DOI : 10.1126 / science.182.4109.229 . PMID 17749298 .
- ^ а б Ньюман, Майкл Э. (26 сентября 2017 г.). «На Луну и обратно… за 2,5 секунды» . NIST . Проверено 27 января 2021 года .
- ^ Макдональд, К. (26 апреля 2010 г.). "Физики Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаруживают давно утерянный советский отражатель на Луне" . Калифорнийский университет в Сан-Диего . Проверено 27 апреля 2010 года .
- ^ а б в Уильямс, Джеймс Дж .; Дики, Джин О. (2002). Лунная геофизика, геодезия и динамика (PDF) . 13-й Международный семинар по лазерной локации. 7–11 октября 2002 г. Вашингтон, округ Колумбия
- ^ «Стареют не только астронавты» . Вселенная сегодня . 10 марта 2010 . Проверено 24 августа 2012 года .
- ^ Карри, Дуглас; Дель Аньелло, Симона; Делле Монаш, Джованни (апрель – май 2011 г.). "Лунный лазерный рефлектор для определения дальности для 21 века". Acta Astronautica . 68 (7–8): 667–680. Bibcode : 2011AcAau..68..667C . DOI : 10.1016 / j.actaastro.2010.09.001 .
- ^ Тьюн, Ли (10 июня 2015 г.). «UMD, Италия и MoonEx объединяются, чтобы разместить на Луне новые лазерно-отражающие системы» . UMD прямо сейчас . Университет Мэриленда.
- ^ Бойл, Алан (12 июля 2017 г.). «Moon Express представляет свою дорожную карту для гигантских прыжков на поверхность Луны ... и обратно» . GeekWire . Проверено 15 марта 2018 года .
- ^ Moon Express Lunar Scout (MX-1E) , RocketLaunch.Live , получено 27 июля 2019 г.
- ^ «МХ-1Е 1, 2, 3» . Проверено 24 мая 2020 .
- ^ http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2004/06may_lunarranging/ . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь );Отсутствует или пусто|title=
( справка ) - ^ Сибер, Гюнтер (2003). Спутниковая геодезия (2-е изд.). де Грюйтер. п. 439 . ISBN 978-3-11-017549-3. OCLC 52258226 .
- ^ Мерфи, TW (2013). «Лазерная локация Луны: миллиметровая задача» (PDF) . Отчеты о достижениях физики . 76 (7): 2. arXiv : 1309.6294 . Bibcode : 2013RPPh ... 76g6901M . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 76/7/076901 . PMID 23764926 .
- ^ а б Эспенек, Ф. (август 1994 г.). «НАСА - Точность предсказаний затмений» . НАСА / GSFC . Проверено 4 мая 2008 года .
- ^ Мерковиц, Стивен М. (2 ноября 2010 г.). "Испытания силы тяжести с помощью лазерного локации Луны" . Живые обзоры в теории относительности . 13 (1): 7. DOI : 10,12942 / LRR-2010-7 . ISSN 1433-8351 . PMC 5253913 . PMID 28163616 .
- ^ а б Баттат, JBR; Мерфи, TW; Adelberger, EG; и другие. (Январь 2009 г.). «Операция по лазерной локации Луны в обсерватории Апач-Пойнт (APOLLO): два года измерений диапазона Земля-Луна с точностью до миллиметра1» . Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 121 (875): 29–40. Bibcode : 2009PASP..121 ... 29B . DOI : 10.1086 / 596748 . JSTOR 10.1086 / 596748 .
- ^ «Лазерные наблюдения Луны с 1969 по май 2013 года» . SYRTE Парижская обсерватория . Дата обращения 3 июня 2014 .
- ^ Векселя, BG; Рэй, RD (1999). «Лунная орбитальная эволюция: синтез последних результатов» . Письма о геофизических исследованиях . 26 (19): 3045–3048. Bibcode : 1999GeoRL..26.3045B . DOI : 10.1029 / 1999GL008348 .
- ^ а б в Viswanathan, V .; Rambaux, N .; Fienga, A .; Laskar, J .; Гастино, М. (9 июля 2019 г.). «Ограничение наблюдений на радиус и сжатие границы лунного ядра и мантии». Письма о геофизических исследованиях . 46 (13): 7295–7303. arXiv : 1903.07205 . DOI : 10.1029 / 2019GL082677 .
- ^ а б Уильямс, JG; Ньюхолл, XX; Дики, Джо (1996). «Параметры относительности, определенные по лунной лазерной локации». Physical Review D . 53 (12): 6730–6739. Bibcode : 1996PhRvD..53.6730W . DOI : 10.1103 / PhysRevD.53.6730 . PMID 10019959 .
- ^ Копейкин, С .; Се, Ю. (2010). «Небесные системы отсчета и калибровочная свобода в постньютоновской механике системы Земля – Луна». Небесная механика и динамическая астрономия . 108 (3): 245–263. Bibcode : 2010CeMDA.108..245K . DOI : 10.1007 / s10569-010-9303-5 .
- ^ Adelberger, EG; Heckel, BR; Smith, G .; Вс, Ы .; Суонсон, HE (1990). «Эксперименты Этвёша, определение местоположения Луны и строгий принцип эквивалентности». Природа . 347 (6290): 261–263. Bibcode : 1990Natur.347..261A . DOI : 10.1038 / 347261a0 .
- ^ Вишванатан, V; Фиенга, А; Минаццоли, О; Бернус, L; Ласкар, Дж; Гастино, М. (май 2018 г.). «Новая лунная эфемерида INPOP17a и ее применение в фундаментальной физике». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 476 (2): 1877–1888. arXiv : 1710.09167 . DOI : 10.1093 / MNRAS / sty096 .
- ^ Müller, J .; Бискупек, Л. (2007). «Вариации гравитационной постоянной по данным лазерной локации Луны». Классическая и квантовая гравитация . 24 (17): 4533. DOI : 10.1088 / 0264-9381 / 24/17/017 .
Внешние ссылки
- Сергей Копейкин "Теория и модель нового поколения данных о лунном лазерном локации" .
- Эксперименты Аполлона 15 - лазерный ретрорефлектор от Института Луны и планет.
- «История лазерной локации и РСЗО» в Университете штата Техас в Остине , Центр космических исследований
- "Лунные ретрорефлекторы" Тома Мерфи
- Станция Télémétrie Laser-Lune в Грассе, Франция
- Лазерная локация Луны от Международной службы лазерной локации
- Винс Стрихерц, UW Сегодня , 14 января 2002 г. "Исследователь из UW планирует проект по определению расстояния до Луны и Земли".
- "Что Нил и Базз оставили на Луне", автор Science @ NASA, 20 июля 2004 г.
- «Эксперимент Аполлона-11 все еще возвращает результаты» Робин Ллойд, CNN , 21 июля 1999 г.
- «Стрельба лазерами на Луне: Хэл Уокер и лунный ретрорефлектор» , Смитсоновский национальный музей авиации и космонавтики, YouTube, 20 августа 2019 г.