Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Лунный лазерный эксперимент по дальности полета из миссии Аполлон-11

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 , 15 ) и миссии Лунохода . [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 измерения дальности также можно проводить с помощью ретрорефлекторов, установленных на спутниках, находящихся на орбите Луны . [2]

История [ править ]

Аполлон 15 LRRR
Схема Apollo 15 LRRR

Первые успешные испытания для определения местоположения Луны были проведены в 1962 году, когда команде из Массачусетского технологического института удалось наблюдать лазерные импульсы, отраженные от поверхности Луны, с помощью лазера с миллисекундной длиной импульса. [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 обсерватории Лик . [5] Наблюдения Кембриджских исследовательских лабораторий ВВС США.Вскоре за ними последовали Обсерватория Лунного измерения в Аризоне, Обсерватория Пик дю Миди во Франции, Токийская астрономическая обсерватория и обсерватория Макдональда в Техасе.

Советские марсоходы « Луноход-1» и « Луноход-2» без экипажа несли группы меньшего размера. Первоначально отраженные сигналы были получены от Лунохода-1 , но после 1971 года обратные сигналы не были обнаружены, пока группа из Калифорнийского университета повторно не открыла массив в апреле 2010 года, используя изображения с орбитального аппарата НАСА . [6] Луноход 2 «s массив продолжает возвращать сигналы на Землю. [7] Решетки Лунохода страдают от снижения производительности под прямыми солнечными лучами - фактор, который учитывается при размещении отражателя во время миссий Аполлона. [8]

Массив Аполлона 15 в три раза больше массивов, оставшихся от двух предыдущих миссий Аполлона. Его размер сделал его целью трех четвертей выборки измерений, сделанных в первые 25 лет эксперимента. С тех пор усовершенствования технологии привели к более широкому использованию небольших массивов такими объектами, как Обсерватория Лазурного берега в Ницце , Франция; и Операция по лазерной локации Луны 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 [ править ]

Расстояние до Луны приблизительно рассчитывается по формуле: расстояние = (скорость света × продолжительность задержки из-за отражения) / 2

Чтобы точно рассчитать расстояние до Луны, необходимо учитывать множество факторов в дополнение к времени прохождения туда и обратно около 2,5 секунд. Эти факторы включают расположение Луны на небе, относительное движение Земли и Луны, вращение Земли, либрацию Луны , 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 . [14]Расстояние постоянно меняется по ряду причин, но в среднем составляет 385 000,6 км (239 228,3 миль) между центром Земли и центром Луны. [15]

На поверхности Луны луч имеет ширину около 6,5 километров (4,0 мили) [16] [i], и ученые сравнивают задачу наведения луча с использованием винтовки, чтобы поразить движущуюся монету в 3 километрах (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. [17] Они могут быть идентифицированы как исходящие от лазера, потому что лазер очень монохроматический .

Расстояние до Луны теперь можно измерить с точностью до миллиметра. [18] Это одно из самых точных измерений расстояния, когда-либо сделанных, и оно эквивалентно по точности определению расстояния между Лос-Анджелесом и Нью-Йорком с точностью до человеческого волоса.

Результаты [ править ]

Данные лазерных локационных измерений Луны доступны в Центре анализа Луны Парижской обсерватории [19] и на активных станциях. Вот некоторые из результатов этого длительного эксперимента :

Свойства Луны [ править ]

  • Расстояние до Луны можно измерить с точностью до миллиметра. [18]
  • Луна удаляется от Земли по спирали со скоростью 3,8 см / год . [16] Этот показатель был описан как аномально высокий. [20]
  • Луна, вероятно, имеет жидкое ядро ​​около 20% радиуса Луны. [7] Радиус границы лунного ядра и мантии определяется как381 ± 12 км . [21]
  • Полярное уплощение границы лунное ядро-мантия определяется как(2,2 ± 0,6) × 10 −4 . [21]
  • Свободное ядро нутации Луны определяется как367 ± 100 лет . [21]

Гравитационная физика [ править ]

  • Теория гравитации Эйнштейна ( общая теория относительности ) предсказывает орбиту Луны с точностью до лазерных измерений. [7]
  • Свобода калибровки играет важную роль в правильной физической интерпретации релятивистских эффектов в системе Земля-Луна, наблюдаемых с помощью метода LLR. [22]
  • Вероятность любого эффекта Нордтведта (гипотетическое дифференциальное ускорение Луны и Земли по направлению к Солнцу, вызванное их разной степенью компактности) была исключена с высокой точностью [23] [24] [25], 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. [26]

Фотогалерея [ редактировать ]

  • 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

См. Также [ править ]

  • Операция по лазерной локации Луны в обсерватории Апач-Пойнт
  • Пакет Apollo Lunar Surface Experiments
  • Том Мерфи (физик) (главный исследователь эксперимента с отражателем Аполлона)
  • Кэрролл Элли (предыдущий главный исследователь эксперимента с отражателем Аполлона)
  • Связь Земля – Луна – Земля
  • Лидар
  • Лунное расстояние (астрономия)
  • Программа Лунохода
  • Спутниковая лазерная локация
  • Космическая геодезия
  • Сторонние доказательства высадки Аполлона на Луну
  • Список ретрорефлекторов на Луне
  • Список искусственных объектов на Луне

Ссылки [ править ]

  1. ^ Во время обратного путешествия 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.
  1. ^ Chapront, J .; Chapront-Touzé, M .; Франсу, Г. (1999). «Определение лунных орбитальных и вращательных параметров, а также ориентации эклиптической системы отсчета по измерениям LLR и данным IERS». Астрономия и астрофизика . 343 : 624–633. Бибкод : 1999A & A ... 343..624C .
  2. ^ 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 двунаправленный 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 . 
  3. ^ Смуллин, Луи Д .; Фиокко, Джорджио (1962). «Оптическое эхо с Луны». Природа . 194 (4835): 1267. Bibcode : 1962Natur.194.1267S . DOI : 10.1038 / 1941267a0 .
  4. ^ Бендер, PL; 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 .  
  5. ^ a b Ньюман, Майкл Э. (26 сентября 2017 г.). «На Луну и обратно… за 2,5 секунды» . NIST . Проверено 27 января 2021 года .
  6. ↑ 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 .
  7. ^ a b c 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
  8. ^ «Становятся не только астронавты» . Вселенная сегодня . 10 марта 2010 . Проверено 24 августа 2012 года .
  9. ^ Карри, Дуглас; Делль'Анджелло, Симона; Делле Монаш, Джованни (апрель – май 2011 г.). "Лунный лазерный рефлектор для измерения дальности для 21 века". Acta Astronautica . 68 (7–8): 667–680. Bibcode : 2011AcAau..68..667C . DOI : 10.1016 / j.actaastro.2010.09.001 .
  10. Перейти ↑ Tune, Lee (10 июня 2015 г.). «UMD, Италия и MoonEx объединились, чтобы запустить на Луну новые лазерно-отражающие системы» . UMD прямо сейчас . Университет Мэриленда.
  11. ↑ 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 .
  12. ^ Луна Экспресс Лунный разведчик (MX-1E) , RocketLaunch.Live , получен 27 июля 2019
  13. ^ "MX-1E 1, 2, 3" . Дата обращения 24 мая 2020 .
  14. ^ Seeber, Гюнтер (2003). Спутниковая геодезия (2-е изд.). де Грюйтер. п. 439 . ISBN 978-3-11-017549-3. OCLC  52258226 .
  15. ^ 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 .  
  16. ^ a b Эспенек, Ф. (август 1994 г.). «НАСА - Точность прогнозов затмений» . НАСА / GSFC . Проверено 4 мая 2008 года .
  17. ^ Merkowitz, Стивен М. (2 ноября 2010). "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 .   
  18. ^ a b Battat, 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 миллиметровой точностью1» . Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 121 (875): 29–40. Bibcode : 2009PASP..121 ... 29В . DOI : 10.1086 / 596748 . JSTOR 10.1086 / 596748 . 
  19. ^ «Лазерные наблюдения Луны с 1969 по май 2013» . SYRTE Парижская обсерватория . Дата обращения 3 июня 2014 .
  20. ^ Счета, 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 .
  21. ^ a b c 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 .
  22. ^ 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 .
  23. ^ Адельбергер, EG; Heckel, BR; Smith, G .; Вс, Ы .; Свонсон, HE (1990). «Эксперименты Этвёша, определение местоположения Луны и строгий принцип эквивалентности». Природа . 347 (6290): 261–263. Bibcode : 1990Natur.347..261A . DOI : 10.1038 / 347261a0 .
  24. ^ 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 . 
  25. ^ Вишванатан, V; Фиенга, А; Minazzoli, O; 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 .
  26. ^ 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 [ править ]

  • Сергей Копейкин "Теория и модель нового поколения данных о локации Луны" .
  • 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 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.