El rango de láser lunar (LLR) es la práctica de medir la distancia entre las superficies de la Tierra y la Luna usando 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 . [1]
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 dispersión temporal en la señal reflejada es mucho mayor. menor.
Se encuentra disponible una revisión de Lunar Laser Ranging. [2]
Las mediciones de rango láser también se pueden realizar con retrorreflectores instalados en satélites en órbita lunar como el LRO . [3] [4]
Historia
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. [5] 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 . [6]
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. [7] 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 . [7] 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 no tripulados 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. [8] La matriz de Lunokhod 2 continúa enviando señales a la Tierra. [9] 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. [10]
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. [11] [12] [13] MX-1E estaba programado para su lanzamiento en julio de 2020, [14] sin embargo, a partir de febrero de 2020, el lanzamiento del MX-1E ha sido cancelado. [15]
Principio
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 . [17] [18] La distancia cambia continuamente por varias razones, pero promedia 385.000,6 km (239.228,3 millas) entre el centro de la Tierra y el centro de la Luna. [19] Las órbitas de la Luna y los planetas se integran numéricamente junto con la orientación de la Luna llamada Libración física . [20]
En la superficie de la Luna, el rayo tiene aproximadamente 6.5 kilómetros (4.0 millas) de ancho [21] [i] y los científicos comparan la tarea de apuntar el rayo con usar 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. [22] 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. [23] En un sentido relativo, esta es una de las medidas 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. [19] [24]
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 | [25] [19] | |
Observatorio astrofísico de Crimea , URSS | CrAO | 1974, 1982-1984 | Rubí | 3,0 - 0,6 m | [26] |
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 | [19] [27] | |
Observatorio Haleakala , Hawái, EE. UU. | SEÑUELO | 1984-1990 | Nd: YAG, 532 nm, 200 ps, 140 mJ | 2,0 cm | [19] [28] |
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 | [19] |
Observatorio geodésico de Wettzell , Alemania | WLRS | 2018 - presente (2021) | 1.064 μm, 10 ps, 75 mJ | [29] |
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. [30] [20]
- El mismo programa integra la orientación de 3 ejes de la Luna llamada Libración física .
El modelo de gama incluye [30] [31]
- La posición de la estación de medición que representa el movimiento debido a la tectónica de placas , la rotación de la Tierra , la precesión , la nutación y el movimiento polar .
- 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. [32]
Resultados
Los datos de medición de distancia láser lunar están disponibles en el Centro de Análisis Lunar del Observatorio de París, [33] los archivos del Servicio Internacional de Distancia Láser, [34] [35] y las estaciones activas. Algunos de los resultados de este experimento a largo plazo son: [19]
Propiedades de la Luna
- La distancia a la Luna se puede medir con precisión milimétrica. [23]
- La Luna se aleja de la Tierra en espiral a una velocidad de 3,8 cm / año . [21] [36] Esta tasa se ha descrito como anormalmente alta. [37]
- El núcleo fluido de la Luna fue detectado por los efectos de la disipación de los límites entre el núcleo y el manto. [38]
- La Luna tiene Libraciones físicas libres que requieren uno o más mecanismos estimulantes. [39]
- La disipación de las mareas en la Luna depende de la frecuencia de las mareas. [40]
- La Luna probablemente tiene un núcleo líquido de aproximadamente el 20% del radio de la Luna. [9] El radio del límite entre el núcleo y el manto lunar se determina como381 ± 12 km . [41]
- El aplanamiento polar del límite entre el núcleo y el manto lunar se determina como(2,2 ± 0,6) × 10 −4 . [41]
- La nutación del núcleo libre de la Luna se determina como367 ± 100 años . [41]
- Las ubicaciones precisas de los retrorreflectores sirven como puntos de referencia visibles para las naves espaciales en órbita. [42]
Física gravitacional
- La teoría de la gravedad de Einstein (la teoría general de la relatividad ) predice la órbita de la Luna dentro de la precisión de las mediciones de rango del láser. [9] [43]
- La libertad de calibre juega un papel importante en una interpretación física correcta de los efectos relativistas en el sistema Tierra-Luna observados con la técnica LLR. [44]
- La probabilidad de cualquier efecto Nordtvedt (una aceleración diferencial hipotética de la Luna y la Tierra hacia el Sol causada por sus diferentes grados de compacidad) ha sido descartada con alta precisión, [45] [43] [46] apoyando fuertemente el principio de equivalencia fuerte .
- La fuerza de gravedad universal es muy estable. Los experimentos han restringido el cambio en la constante gravitacional G de Newton a un factor de(2 ± 7) × 10 −13 por año. [47]
Galería
Reflector retro de alcance lunar del Apolo 14 ( LRRR )
Tiempos de retorno de pulsos de fotones de colaboración APOLLO
Instalación de rango láser en la estación fundamental de Wettzell , Baviera , Alemania
Alcance láser en Goddard Space Flight Center
Ver también
- Carroll Alley (primer investigador principal del equipo Apollo Lunar Laser Ranging)
- Lidar
- Distancia lunar (astronomía)
- Alcance láser satelital
- Geodesia espacial
- Evidencia de terceros para los aterrizajes del Apolo en la Luna
- Lista de objetos artificiales en la Luna
Referencias
- ^ Durante el tiempo de ida y vuelta, un observador de la Tierra se habrá movido alrededor1 km (dependiendo de su latitud). Esto se ha presentado, incorrectamente, como una "refutación" del experimento de determinación de distancia, con la afirmación de que el rayo dirigido a un reflector tan pequeño no puede alcanzar un objetivo en movimiento. Sin embargo, el tamaño del rayo es mucho mayor que cualquier movimiento, especialmente para el rayo devuelto.
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enlaces externos
- "Teoría y modelo para la nueva generación de datos de alcance del láser lunar" por Sergei Kopeikin
- Experimentos del Apolo 15 - Retrorreflector de rango láser del Instituto Lunar y Planetario
- "History of Laser Ranging and MLRS" por la Universidad de Texas en Austin , Centro de Investigación Espacial
- "Retrorreflectores lunares" de Tom Murphy
- Station de Télémétrie Laser-Lune en Grasse, Francia
- Alcance láser lunar del Servicio internacional de alcance láser
- "Un investigador de la Universidad de Washington planea un proyecto para determinar la distancia entre la Luna y la Tierra" por Vince Stricherz, UW Today , 14 de enero de 2002
- "What Neil & Buzz Left on the Moon" por Science @ NASA, 20 de julio de 2004
- "El experimento del Apolo 11 aún arroja resultados" por Robin Lloyd, CNN , 21 de julio de 1999
- "Disparando láseres en la luna: Hal Walker y el retrorreflector lunar" por el Museo Nacional del Aire y el Espacio del Smithsonian, YouTube, 20 de agosto de 2019