stringtranslate.com

Эксперименты по лазерной локации Луны

Эксперимент по лазерной локации Луны в рамках миссии «Аполлон-11»

Лунная лазерная локация (ЛЛЛ) — это практика измерения расстояния между поверхностями Земли и Луны с помощью лазерной локации . Расстояние можно рассчитать по времени прохождения туда и обратно лазерных световых импульсов, движущихся со скоростью света , которые отражаются обратно на Землю поверхностью Луны или одним из нескольких ретрорефлекторов, установленных на Луне. Три были размещены программой США « Аполлон » ( 11 , 14 и 15 ), два — советскими миссиями «Луноход 1» и «Луноход 2» [1] и один — индийской миссией «Чандраян-3» . [2] [3]

Хотя возможно отражение света или радиоволн непосредственно от поверхности Луны (процесс, известный как EME ), гораздо более точное измерение дальности можно выполнить с помощью ретрорефлекторов, поскольку из-за их малого размера временной разброс отраженного сигнала намного меньше [4] , а возврат будет более равномерным с меньшей диффузией.

Лазерные измерения дальности также могут быть выполнены с помощью ретрорефлекторов, установленных на спутниках, вращающихся вокруг Луны, таких как LRO . [5] [6]

История

Аполлон 15 ЛРРР
Схема LRRR Аполлона-15

Первые успешные испытания по локации Луны были проведены в 1962 году, когда Луис Смуллин и Джорджио Фиокко из Массачусетского технологического института преуспели в наблюдении лазерных импульсов, отраженных от поверхности Луны, с помощью лазера с длительностью импульса 50 Дж 0,5 миллисекунды. [7] Аналогичные измерения были получены позднее в том же году советской группой в Крымской астрофизической обсерватории с использованием рубинового лазера с модуляцией добротности . [8]

Вскоре после этого аспирант Принстонского университета Джеймс Фаллер предложил разместить оптические отражатели на Луне, чтобы повысить точность измерений. [9] Это было достигнуто после установки массива ретрорефлекторов 21 июля 1969 года экипажем Аполлона-11 . Еще два массива ретрорефлекторов были оставлены миссиями Аполлона-14 и Аполлона-15 . Успешные измерения дальности Луны лазером до ретрорефлекторов были впервые зарегистрированы 1 августа 1969 года 3,1-метровым телескопом в обсерватории Лик . [9] Вскоре последовали наблюдения из Лунной обсерватории дальномерных исследований ВВС Кембриджских исследовательских лабораторий в Аризоне, обсерватории Пик-дю-Миди во Франции, Токийской астрономической обсерватории и обсерватории Макдональда в Техасе.

Беспилотные советские марсоходы Луноход-1 и Луноход-2 несли меньшие решетки. Первоначально отраженные сигналы от Лунохода-1 принимались Советским Союзом до 1974 года, но не западными обсерваториями, у которых не было точной информации о местоположении. В 2010 году лунный разведывательный орбитальный аппарат НАСА обнаружил марсоход Луноход-1 на снимках, а в апреле 2010 года группа из Калифорнийского университета провела измерение решетки. [10] Решетка Лунохода - 2 продолжает возвращать сигналы на Землю. [11] Решетка Лунохода страдает от снижения производительности под прямыми солнечными лучами — фактора, учитываемого при размещении отражателей во время миссий Аполлон. [12]

Массив Apollo 15 в три раза больше массивов, оставшихся от двух предыдущих миссий Apollo. Его размер сделал его целью трех четвертей выборочных измерений, проведенных за первые 25 лет эксперимента. Улучшения в технологиях с тех пор привели к более широкому использованию меньших массивов, такими сайтами, как Côte d'Azur Observatory в Ницце , Франция; и Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation (APOLLO) в Apache Point Observatory в Нью-Мексико .

В 2010-х годах было запланировано несколько новых ретрорефлекторов . Рефлектор MoonLIGHT , который должен был быть установлен частным посадочным модулем MX-1E , был разработан для повышения точности измерений до 100 раз по сравнению с существующими системами. [13] [14] [15] MX-1E должен был быть запущен в июле 2020 года, [16] однако по состоянию на февраль 2020 года запуск MX-1E был отменен. [17] Индийский лунный модуль Chandrayaan-3 успешно разместил шестой рефлектор на Луне в августе 2023 года. [3] MoonLIGHT будет запущен в начале 2024 года с миссией Commercial Lunar Payload Services (CLPS). [18]

Принцип

Аннотированное изображение видимой стороны Луны, показывающее расположение ретрорефлекторов, оставленных на поверхности миссиями «Аполлон» и «Луноход» [19]

Расстояние до Луны приблизительно рассчитывается с помощью уравнения: расстояние = ( скорость света × длительность задержки из-за отражения ) / 2. Поскольку скорость света является определенной константой, преобразование между расстоянием и временем полета может быть выполнено без двусмысленности.

Чтобы точно вычислить расстояние до Луны, необходимо учесть множество факторов, помимо времени прохождения туда и обратно, составляющего около 2,5 секунд. К этим факторам относятся положение Луны на небе, относительное движение Земли и Луны, вращение Земли, лунная либрация , движение полюсов , погода , скорость света в различных частях воздуха, задержка распространения через атмосферу Земли , положение наблюдательной станции и ее движение из-за движения земной коры и приливов , а также релятивистские эффекты . [20] [21] Расстояние постоянно меняется по ряду причин, но в среднем составляет 385 000,6 км (239 228,3 миль) между центром Земли и центром Луны. [22] Орбиты Луны и планет численно интегрированы вместе с ориентацией Луны, называемой физической либрацией . [23]

На поверхности Луны луч имеет ширину около 6,5 километров (4,0 мили) [24] [i] , и ученые сравнивают задачу нацеливания луча с использованием винтовки для попадания в движущуюся монету в 3 километра (1,9 мили). Отраженный свет слишком слаб, чтобы его можно было увидеть человеческим глазом. Из импульса 3×1017 фотонов [ 25], направленного на отражатель, только около 1–5 возвращаются на Землю, даже при хороших условиях. [26] Их можно идентифицировать как исходящие от лазера, поскольку лазер является высоко монохроматичным .

По состоянию на 2009 год расстояние до Луны можно измерить с точностью до миллиметра. [27] В относительном смысле это одно из самых точных измерений расстояния, когда-либо сделанных, и по точности оно эквивалентно определению расстояния между Лос-Анджелесом и Нью-Йорком с точностью до толщины человеческого волоса.

Список световозвращателей

Список обсерваторий

В таблице ниже представлен список активных и неактивных станций лазерной локации Луны на Земле. [22] [28]

Анализ данных

Данные лазерной локации Луны собираются для извлечения числовых значений для ряда параметров. Анализ данных локации включает динамику, земную геофизику и лунную геофизику. Проблема моделирования включает два аспекта: точное вычисление лунной орбиты и лунной ориентации, а также точную модель для времени полета от наблюдательной станции до ретрорефлектора и обратно на станцию. Современные данные лазерной локации Луны могут быть подогнаны с 1 см взвешенной среднеквадратичной невязкой.

Модель диапазона включает [36] [37]

Для земной модели источником подробной информации являются Конвенции IERS (2010). [38]

Результаты

Данные измерений лазерной локации Луны доступны в Центре анализа Луны Парижской обсерватории, [39] в архивах Международной службы лазерной локации, [40] [41] и на действующих станциях. Некоторые из результатов этого долгосрочного эксперимента : [22]

Свойства Луны

Гравитационная физика

Галерея

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ За время пути туда и обратно наблюдатель с Земли переместится примерно на1 км (в зависимости от их широты). Это было представлено, ошибочно, как «опровержение» эксперимента по измерению дальности, поскольку утверждается, что луч к такому маленькому отражателю не может поразить такую ​​движущуюся цель. Однако размер луча намного больше любого движения, особенно для возвращенного луча.
  1. ^ Chapront, J.; Chapront-Touzé, M.; Francou, G. (1999). «Определение параметров лунной орбиты и вращения, а также ориентации эклиптической системы отсчета по измерениям LLR и данным IERS». Астрономия и астрофизика . 343 : 624–633. Bibcode : 1999A&A...343..624C.
  2. ^ "Чандраян-3". ИСРО . Проверено 15 августа 2023 г.
  3. ^ ab Dhillon, Amrit (23 августа 2023 г.). «Индия впервые в истории приземлила космический корабль вблизи южного полюса Луны». The Guardian . Получено 23 августа 2023 г.
  4. ^ Мюллер, Юрген; Мерфи, Томас В.; Шрайбер, Ульрих; Шелус, Питер Дж.; Торре, Жан-Мари; Уильямс, Джеймс Г.; Боггс, Дейл Х.; Букийон, Себастьен; Бургуэн, Адриен; Хофманн, Франц (2019). «Лазерная локация Луны: инструмент для общей теории относительности, лунной геофизики и наук о Земле». Журнал геодезии . 93 (11): 2195–2210. Bibcode : 2019JGeod..93.2195M. doi : 10.1007/s00190-019-01296-0. ISSN  1432-1394. S2CID  202641440.
  5. ^ Мазарико, Эрван; Сунь, Сяоли; Торре, Жан-Мари; Курд, Клеман; Шабе, Жюльен; Аймар, Мурад; Мари, Эрве; Морис, Николя; Баркер, Майкл К.; Мао, Дандан; Кремонс, Дэниел Р.; Букийон, Себастьен; Карлуччи, Тедди; Вишванатан, Вишну; Лемуан, Фрэнк; Бургуэн, Адриан; Эксертье, Пьер; Нойманн, Грегори; Зубер, Мария; Смит, Дэвид (6 августа 2020 г.). «Первая двусторонняя лазерная дальность до лунного орбитального аппарата: инфракрасные наблюдения от станции Грасс до ретро-рефлекторной решетки LRO». Земля, планеты и космос . 72 (1): 113. Бибкод : 2020EP&S...72..113M. doi : 10.1186/s40623-020-01243-w . hdl : 11603/19523 . ISSN  1880-5981.
  6. ^ Корней, Кэтрин (15 августа 2020 г.). «Как разгадать тайну Луны? Выстрелить в нее лазером». The New York Times . ISSN  0362-4331 . Получено 1 июня 2021 г.
  7. ^ Смуллин, Луис Д.; Фиокко, Джорджио (1962). «Оптические эхо от Луны». Nature . 194 (4835): 1267. Bibcode :1962Natur.194.1267S. doi : 10.1038/1941267a0 . S2CID  4145783.
  8. ^ Бендер, ПЛ; и др. (1973). «Эксперимент по лазерной локации Луны: точные дальности дали большое улучшение лунной орбиты и новую селенофизическую информацию» (PDF) . Science . 182 (4109): 229–238. Bibcode :1973Sci...182..229B. doi :10.1126/science.182.4109.229. PMID  17749298. S2CID  32027563.
  9. ^ ab Newman, Michael E. (26 сентября 2017 г.). «На Луну и обратно… за 2,5 секунды». NIST . Получено 27 января 2021 г. .
  10. ^ Макдональд, К. (26 апреля 2010 г.). «Физики Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили давно потерянный советский отражатель на Луне». Калифорнийский университет в Сан-Диего. Архивировано из оригинала 30 апреля 2010 г. Получено 27 апреля 2010 г.
  11. ^ abc Уильямс, Джеймс Г.; 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
  12. ^ «Не только астронавты стареют». Universe Today . 10 марта 2010 г. Получено 24 августа 2012 г.
  13. ^ Карри, Дуглас; Делл'Аньелло, Симона; Делле Моначе, Джованни (апрель – май 2011 г.). «Лунная лазерная локационная ретрорефлекторная решетка для 21 века». Акта Астронавтика . 68 (7–8): 667–680. Бибкод : 2011AcAau..68..667C. doi :10.1016/j.actaastro.2010.09.001.
  14. ↑ Tune, Lee (10 июня 2015 г.). «UMD, Italy & MoonEx Join to Put New Laser-Reflecting Arrays on Moon». UMD Right Now . Мэрилендский университет. Архивировано из оригинала 22 марта 2018 г. Получено 21 марта 2018 г.
  15. ^ Бойл, Алан (12 июля 2017 г.). «Moon Express представляет свой план гигантских скачков на поверхность Луны... и обратно». GeekWire . Получено 15 марта 2018 г.
  16. ↑ Moon Express Lunar Scout (MX-1E), RocketLaunch.Live, заархивировано из оригинала 27 июля 2019 г. , извлечено 27 июля 2019 г.
  17. ^ "MX-1E 1, 2, 3" . Получено 24 мая 2020 г. .
  18. ^ "Полезные нагрузки НАСА для (CLPS PRISM) CP-11".
  19. ^ «Ошибся ли Галилей?». NASA . 6 мая 2004 г. Архивировано из оригинала 30 апреля 2022 г.
  20. ^ Зеебер, Гюнтер (2003). Спутниковая геодезия (2-е изд.). де Грюйтер. п. 439. ИСБН 978-3-11-017549-3. OCLC  52258226.
  21. ^ Уильямс, Джеймс Г.; Боггс, Дейл Х. (2020). «Линия JPL Lunar Laser model 2020». ssd.jpl.nasa.gov . Получено 24 мая 2021 г. .
  22. ^ abcdefg Murphy, TW (2013). "Лазерная локация Луны: миллиметровый вызов" (PDF) . Reports on Progress in Physics . 76 (7): 2. arXiv : 1309.6294 . Bibcode :2013RPPh...76g6901M. doi :10.1088/0034-4885/76/7/076901. PMID  23764926. S2CID  15744316.
  23. ^ ab Park, Ryan S.; Folkner, William M.; Williams, James G.; Boggs, Dale H. (2021). "Планетные и лунные эфемериды JPL DE440 и DE441". The Astronomical Journal . 161 (3): 105. Bibcode : 2021AJ....161..105P. doi : 10.3847/1538-3881/abd414 . ISSN  1538-3881. S2CID  233943954.
  24. ^ ab Espenek, F. (август 1994 г.). "NASA – Точность прогнозов затмений". NASA/GSFC . Получено 4 мая 2008 г.
  25. ^ "Основы лунной локации" . Получено 21 июля 2023 г.
  26. ^ Мерковиц, Стивен М. (2 ноября 2010 г.). «Испытания гравитации с использованием лазерной локации Луны». Living Reviews in Relativity . 13 (1): 7. Bibcode : 2010LRR....13....7M. doi : 10.12942/lrr-2010-7 . ISSN  1433-8351. PMC 5253913. PMID 28163616  . 
  27. ^ ab Battat, JBR; Murphy, TW; Adelberger, EG; et al. (январь 2009 г.). «Операция по лазерной локации Луны в обсерватории Apache Point (APOLLO): два года измерений с точностью до миллиметра в диапазоне Земля-Луна»1. Publications of the Astronomical Society of the Pacific . 121 (875): 29–40. Bibcode : 2009PASP..121...29B. doi : 10.1086/596748 . JSTOR  10.1086/596748.
  28. ^ Бискупек, Лилиан; Мюллер, Юрген; Торре, Жан-Мари (3 февраля 2021 г.). «Преимущество новых высокоточных данных LLR для определения релятивистских параметров». Universe . 7 (2): 34. arXiv : 2012.12032 . Bibcode :2021Univ....7...34B. doi : 10.3390/universe7020034 .
  29. ^ Бендер, ПЛ; Карри, ДГ; Дики, РХ; Экхардт, ДХ; Фаллер, ДЖЕ; Каула, ВМ; Малхолланд, ДЖД; Плоткин, ХХ; Поултни, СК; и др. (1973). «Эксперимент по лазерной локации Луны». Science . 182 (4109): 229–238. Bibcode :1973Sci...182..229B. doi :10.1126/science.182.4109.229. ISSN  0036-8075. PMID  17749298. S2CID  32027563.
  30. ^ Ягудина (2018). «Обработка и анализ данных лазерной локации Луны в Крыму в 1974-1984 гг.». Институт прикладной астрономии Российской академии наук . Получено 1 июня 2021 г.
  31. ^ Шабе, Жюльен; Курд, Клеман; Торре, Жан-Мари; Букийон, Себастьен; Бургуэн, Адриан; Аймар, Мурад; Альбанезе, Доминик; Шовино, Бертран; Мари, Эрве; Мартино-Лагард, Грегуар; Морис, Николя (2020). «Последние достижения в области лунной лазерной локации на станции лазерной локации в Грассе». Наука о Земле и космосе . 7 (3): e2019EA000785. Бибкод : 2020E&SS....700785C. дои : 10.1029/2019EA000785 . ISSN  2333-5084. S2CID  212785296.
  32. ^ "Lure Observatory". Институт астрономии, Гавайский университет . 29 января 2002 г. Получено 3 июня 2021 г.
  33. ^ "APOL - Обсерватория Апачи-Пойнт".
  34. ^ Eckl, Johann J.; Schreiber, K. Ulrich; Schüler, Torben (30 апреля 2019 г.). «Лазерная локация Луны с использованием высокоэффективного твердотельного детектора в ближнем ИК-диапазоне». В Domokos, Peter; James, Ralph B; Prochazka, Ivan; Sobolewski, Roman; Gali, Adam (ред.). Quantum Optics and Photon Counting 2019. Vol. 11027. International Society for Optics and Photonics. p. 1102708. Bibcode : 2019SPIE11027E..08E. doi : 10.1117/12.2521133. ISBN 9781510627208. S2CID  155720383.
  35. ^ Ли Юцян, 李语强; Фу Хунлинь, 伏红林; Ли Жунван, 李荣旺; Тан Жуфэн, 汤儒峰; Ли Чжулянь, 李祝莲; Чжай Дуншэн, 翟东升; Чжан Хайтао, 张海涛; Пи Сяоюй, 皮晓宇; Е Сяньцзи, 叶贤基; Сюн Яохэн, 熊耀恒 (27 января 2019 г.). «Исследование и эксперимент лунной лазерной локации в обсерваториях Юньнани». Китайский журнал лазеров . 46 (1): 0104004. doi :10.3788/CJL201946.0104004. S2CID  239211201.
  36. ^ ab Павлов, Дмитрий А.; Уильямс, Джеймс Г.; Суворкин, Владимир В. (2016). «Определение параметров орбитального и вращательного движения Луны из наблюдений LLR с использованием моделей, рекомендованных GRAIL и IERS». Небесная механика и динамическая астрономия . 126 (1): 61–88. arXiv : 1606.08376 . Bibcode :2016CeMDA.126...61P. doi :10.1007/s10569-016-9712-1. ISSN  0923-2958. S2CID  119116627.
  37. ^ Уильямс, Джеймс Г.; Боггс, Дейл Х. (2020). «Модель диапазона лунного лазера JPL 2020». ssd.jpl.nasa.gov . Получено 1 июня 2021 г. .
  38. ^ «IERS - Технические примечания IERS - Конвенции IERS (2010 г.)» . www.iers.org . Проверено 1 июня 2021 г.
  39. ^ "Lunar Laser Ranging Observations from 1969 to May 2013". Парижская обсерватория SYRTE . Получено 3 июня 2014 г.
  40. ^ «Международная служба лазерной локации».
  41. ^ «Международная служба лазерной локации».
  42. ^ ab Williams, James G.; Boggs, Dale H. (2016). «Вековые приливные изменения лунной орбиты и вращение Земли». Небесная механика и динамическая астрономия . 126 (1): 89–129. Bibcode : 2016CeMDA.126...89W. doi : 10.1007/s10569-016-9702-3. ISSN  0923-2958. S2CID  124256137.
  43. ^ Биллс, Б. Г.; Рэй, Р. Д. (1999). «Лунная орбитальная эволюция: синтез последних результатов». Geophysical Research Letters . 26 (19): 3045–3048. Bibcode : 1999GeoRL..26.3045B. doi : 10.1029/1999GL008348 .
  44. ^ Уильямс, Джеймс Г.; Боггс, Дейл Х.; Йодер, Чарльз Ф.; Рэтклифф, Дж. Тодд; Дики, Джин О. (2001). «Лунная вращательная диссипация в твердом теле и расплавленном ядре». Журнал геофизических исследований: Планеты . 106 (E11): 27933–27968. Bibcode : 2001JGR...10627933W. doi : 10.1029/2000JE001396 .
  45. ^ Rambaux, N.; Williams, JG (2011). "Физические либрации Луны и определение их свободных мод" (PDF) . Небесная механика и динамическая астрономия . 109 (1): 85–100. Bibcode :2011CeMDA.109...85R. doi :10.1007/s10569-010-9314-2. S2CID  45209988.
  46. ^ abc Viswanathan, V.; Rambaux, N.; Fienga, A.; Laskar, J.; Gastineau, M. (9 июля 2019 г.). «Ограничение наблюдений на радиус и сплюснутость границы лунного ядра и мантии». Geophysical Research Letters . 46 (13): 7295–7303. arXiv : 1903.07205 . Bibcode : 2019GeoRL..46.7295V. doi : 10.1029/2019GL082677. S2CID  119508748.
  47. ^ Вагнер, Р. В.; Нельсон, Д. М.; Плешиа, Дж. Б.; Робинсон, М. С.; Шпейерер, Э. Дж.; Мазарико, Э. (2017). «Координаты антропогенных объектов на Луне». Icarus . 283 : 92–103. Bibcode :2017Icar..283...92W. doi : 10.1016/j.icarus.2016.05.011 . ISSN  0019-1035.
  48. ^ ab Williams, JG; Newhall, XX; Dickey, JO (1996). «Параметры относительности, определенные с помощью лазерной локации Луны». Physical Review D. 53 ( 12): 6730–6739. Bibcode : 1996PhRvD..53.6730W. doi : 10.1103/PhysRevD.53.6730. PMID  10019959.
  49. ^ Копейкин, С.; Се, И. (2010). «Небесные системы отсчета и свобода калибровки 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. S2CID  122789819.
  50. ^ Адельбергер, Э.Г.; Хеккель, Б.Р.; Смит, Г.; Су, И.; Свансон, Х.Э. (1990). «Эксперименты Этвёша, лунные измерения и принцип сильной эквивалентности». Nature . 347 (6290): 261–263. Bibcode :1990Natur.347..261A. doi :10.1038/347261a0. S2CID  4286881.
  51. ^ Вишванатан, В.; Фиенга, А; Минаццоли, О; Бернус, Л; Ласкар, Дж; Гастино, М. (май 2018 г.). «Новая лунная эфемерида INPOP17a и ее применение к фундаментальной физике». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 476 (2): 1877–1888. arXiv : 1710.09167 . Бибкод : 2018MNRAS.476.1877V. дои : 10.1093/mnras/sty096 .
  52. ^ Мюллер, Дж.; Бискупек, Л. (2007). «Изменения гравитационной постоянной по данным лазерной локации Луны». Классическая и квантовая гравитация . 24 (17): 4533. doi :10.1088/0264-9381/24/17/017. S2CID  120195732.

Внешние ссылки