Lunární laserový měřicí experiment - Lunar Laser Ranging experiment

Experiment s lunárním laserovým zaměřovačem z mise Apollo 11

Probíhá Lunární laserový měřicí experiment nebo Přistávací zrcátko Apollo měří vzdálenost mezi povrchy Země a Měsíc použitím laserový rozsah. Lasery na observatořích na Zemi jsou zaměřeny na odrazky zasadil na Měsíci během Program Apollo (11, 14, a 15 ) a dva Lunokhodské mise.[1] Laserové světelné impulsy jsou přenášeny a odráženy zpět na Zemi a měří se doba zpětného letu. The měsíční vzdálenost z této hodnoty se počítá.

Přehled

Apollo 15 LRRR
Schéma Apolla 15 LRRR

První úspěšné testy byly provedeny v roce 1962, kdy tým z Massachusetts Institute of Technology uspěl v pozorování laserových pulzů odražených od povrchu Měsíce pomocí laseru s délkou pulzu milisekund.[2] Podobná měření získala později téhož roku sovětský tým na Krymská astrofyzikální observatoř používat Q-přepnuto rubínový laser.[3] Větší přesnosti bylo dosaženo po instalaci a odrazka pole 21. července 1969, posádkou Apollo 11 a další dvě pole retroreflektorů, která zůstala u Apollo 14 a Apollo 15 mise také přispěly k experimentu. Úspěšné měření dosahu lunárního laseru do odrazky byly poprvé hlášeny[když? ] 3,1 m dalekohledem v Lick Observatory, Air Force Cambridge Research Laboratories Lunar Ranging Observatory v Arizoně Observatoř Pic du Midi ve Francii, Tokiu Astronomická observatoř, a McDonaldova observatoř v Texasu.

Neposádkový sovět Lunokhod 1 a Lunokhod 2 vozítka nesla menší pole. Odražené signály byly původně přijímány od Lunokhod 1, ale po roce 1971 nebyly detekovány žádné zpětné signály, dokud tým z University of California znovu neobjevil pole v dubnu 2010 pomocí obrázků z NASA je Lunar Reconnaissance Orbiter.[4] Lunokhod 2je pole nadále vrací signály na Zemi.[5]Pole Lunokhod trpí sníženým výkonem na přímém slunečním světle - což je faktor uvažovaný při umístění reflektorů během misí Apollo.[6]

Pole Apollo 15 je třikrát větší než pole, které zanechaly dvě dřívější mise Apollo. Díky své velikosti se stal terčem tří čtvrtin naměřených vzorků provedených v prvních 25 letech experimentu. Vylepšení technologie od té doby vyústila ve větší využití menších polí, například na webech Hvězdárna Côte d'Azur v Pěkný, Francie; a Observatoř Apache Point Lunar Laser-Range Operation (APOLLO) na Observatoř Apache Point v Nové Mexiko.

Zásada

Vypočítá se vzdálenost k Měsíci přibližně pomocí rovnice:vzdálenost = (rychlost světla × doba zpoždění v důsledku odrazu) / 2

Abychom mohli přesně vypočítat měsíční vzdálenost, je třeba vzít v úvahu kromě faktoru zhruba 2,5 sekundy také řadu faktorů. Mezi tyto faktory patří umístění Měsíce na obloze, relativní pohyb Země a Měsíce, rotace Země, lunární librace, polární pohyb, počasí, rychlost světla v různých částech vzduchu, zpoždění šíření skrz Atmosféra Země, poloha pozorovací stanice a její pohyb v důsledku pohyb kůry a přílivy a odlivy, a relativistické efekty.[7] Vzdálenost se neustále mění z mnoha důvodů, ale v průměru 385 000,6 km (239 228,3 mil) mezi středem Země a středem Měsíce.[8]

Na povrchu Měsíce je paprsek široký asi 6,5 kilometru (4,0 mil)[9][i] a vědci přirovnávají úkol zaměřit paprsek k použití pušky k zasažení pohybu deseticent 3 km (1,9 mil) pryč. Odražené světlo je příliš slabé, než aby bylo vidět lidským okem. Z 1017 fotony zaměřené na reflektor, pouze jeden je přijat zpět na Zemi, a to i za dobrých podmínek. Lze je identifikovat jako pocházející z laseru, protože laser je vysoce kvalitní jednobarevný. Jedná se o jedno z nejpřesnějších měření vzdálenosti, jaké kdy bylo provedeno, a odpovídá přesnosti stanovení vzdálenosti mezi Los Angeles a New Yorkem s přesností na 0,25 mm (0,01 palce).[6][10]

Nadcházející Měsíční svit reflektor, který může být umístěn při pokusu soukromé osoby MX-1E lander, je navržen tak, aby 100krát zvýšil přesnost měření oproti stávajícím systémům.[11][12][13] MX-1E byl uveden na trh v červenci 2020,[14] od února 2020 však bylo uvedení MX-1E zrušeno.[15]

Výsledek

Data měření rozsahu lunárního laseru jsou k dispozici v Pařížské observatoři Lunar Analysis Center,[16] a aktivní stanice. Některá zjištění tohoto dlouhodobý experiment jsou:

  • Měsíc se točí od Země rychlostí 3,8 cm / rok.[9] Tato míra byla popsána jako anomálně vysoká.[17]
  • Měsíc má pravděpodobně kapalné jádro asi 20% poloměru Měsíce.[5] Poloměr hranice lunárního jádra a pláště je určen jako 381±12 km.[18]
  • Univerzální síla gravitace je velmi stabilní. Pokusy omezily změnu Newton gravitační konstanta G na faktor (2±7)×10−13 za rok.[19]
  • Pravděpodobnost jakékoli Nordtvedtův efekt (hypotetické diferenciální zrychlení Měsíce a Země směrem ke Slunci způsobené jejich různým stupněm kompaktnosti) bylo s vysokou přesností vyloučeno,[20][21][22] silně podporující silný princip ekvivalence.
  • Einstein teorie gravitace ( obecná teorie relativity ) předpovídá Oběžná dráha Měsíce do přesnosti měření laserového rozsahu.[5]
  • Svoboda měřidla hraje hlavní roli ve správné fyzikální interpretaci relativistických efektů v systému Země-Měsíc pozorovaných technikou LLR.[23]
  • Vzdálenost k Měsíci lze měřit s milimetrovou přesností.[24]
  • Polární zploštění hranice hranice lunárního jádra a pláště je určena jako (2.2±0.6)×10−4.[18]
  • Volné jádro nutace měsíce je určen jako 367±100 let.[18]

FOTOGALERIE

Viz také

Reference

  1. ^ Během doby zpáteční cesty se bude pozorovatel Země pohybovat kolem 1 km (v závislosti na jejich zeměpisné šířce). Toto bylo nesprávně prezentováno jako „vyvrácení“ experimentu s měřením vzdálenosti, přičemž se tvrdilo, že paprsek tak malého reflektoru nemůže zasáhnout takový pohyblivý cíl. Velikost paprsku je však mnohem větší než jakýkoli pohyb, zejména u vráceného paprsku.
  1. ^ Chapront, J .; Chapront-Touzé, M .; Francou, G. (1999). "Stanovení měsíčních orbitálních a rotačních parametrů a orientace ekliptického referenčního systému z měření LLR a údajů IERS". Astronomie a astrofyzika. 343: 624–633. Bibcode:1999A & A ... 343..624C.
  2. ^ Smullin, Louis D .; Fiocco, Giorgio (1962). "Optické ozvěny z Měsíce". Příroda. 194 (4835): 1267. Bibcode:1962 Natur.194.1267S. doi:10.1038 / 1941267a0.
  3. ^ Bender, P.L .; et al. (1973). „Experiment s lunárním laserovým měřením: Přesné rozsahy přinesly velké zlepšení měsíční oběžné dráhy a nové selenofyzikální informace“ (PDF). Věda. 182 (4109): 229–238. Bibcode:1973Sci ... 182..229B. doi:10.1126 / science.182.4109.229. PMID  17749298.
  4. ^ McDonald, K. (26. dubna 2010). „Fyzici UC San Diego lokalizují na Měsíci dávno ztracený sovětský reflektor“. University of California, San Diego. Citováno 27. dubna 2010.
  5. ^ A b C Williams, James G .; Dickey, Jean O. (2002). Lunární geofyzika, geodézie a dynamika (PDF). 13. mezinárodní workshop o laserovém měření vzdálenosti. 7. – 11. Října 2002. Washington, D. C.
  6. ^ A b „Nejsou to jen astronauti, kteří stárnou“. Vesmír dnes. 10. března 2010. Citováno 24. srpna 2012.
  7. ^ Seeber, Günter (2003). Satelitní geodézie (2. vyd.). de Gruyter. p.439. ISBN  978-3-11-017549-3. OCLC  52258226.
  8. ^ Murphy, T. W. (2013). „Rozsah lunárního laseru: milimetrová výzva“ (PDF). Zprávy o pokroku ve fyzice. 76 (7): 2. arXiv:1309.6294. Bibcode:2013RPPh ... 76g6901M. doi:10.1088/0034-4885/76/7/076901. PMID  23764926.
  9. ^ A b Espenek, F. (srpen 1994). „NASA - Přesnost předpovědí zatmění“. NASA / GSFC. Citováno 4. května 2008.
  10. ^ „Experiment Apolla 11 po 35 letech stále zesiluje“. NASA / JPL. 20. července 2004. Citováno 4. května 2008.
  11. ^ Currie, Douglas; Dell'Agnello, Simone; Delle Monache, Giovanni (duben – květen 2011). „Lunární laserové pole retroreflektoru pro 21. století“. Acta Astronautica. 68 (7–8): 667–680. Bibcode:2011AcAau..68..667C. doi:10.1016 / j.actaastro.2010.09.001.
  12. ^ Tune, Lee (10. června 2015). „UMD, Itálie a MoonEx se připojily k uvedení nových laserově odrážejících polí na Měsíc“. UMD právě teď. University of Maryland.
  13. ^ Boyle, Alan (12. července 2017). „Moon Express odhaluje svůj plán obřích skoků na měsíční povrch ... a zpět“. GeekWire. Citováno 15. března 2018.
  14. ^ Moon Express Lunar Scout (MX-1E), RocketLaunch.Live, vyvoláno 27. července 2019
  15. ^ „MX-1E 1, 2, 3“. Citováno 24. května 2020.
  16. ^ „Pozorování pomocí lunárního laseru od roku 1969 do května 2013“. Pařížská observatoř SYRTE. Citováno 3. června 2014.
  17. ^ Bills, B. G .; Ray, R. D. (1999). „Lunar Orbital Evolution: a Syntéza nedávných výsledků“. Dopisy o geofyzikálním výzkumu. 26 (19): 3045–3048. Bibcode:1999GeoRL..26.3045B. doi:10.1029 / 1999 GL008348.
  18. ^ A b C Viswanathan, V .; Rambaux, N .; Fienga, A .; Laskar, J .; Gastineau, M. (9. července 2019). „Pozorovací omezení na poloměr a oblatnost hranice lunárního jádra a pláště“. Dopisy o geofyzikálním výzkumu. 46 (13): 7295–7303. arXiv:1903.07205. doi:10.1029/2019 GL082677.
  19. ^ Müller, J .; Biskupek, L. (2007). "Variace gravitační konstanty z údajů o rozsahu lunárního laseru". Klasická a kvantová gravitace. 24 (17): 4533. doi:10.1088/0264-9381/24/17/017.
  20. ^ Adelberger, E. G .; Heckel, B. R .; Smith, G .; Su, Y .; Swanson, H. E. (1990). „Eötvösovy experimenty, rozsah Měsíce a silný princip ekvivalence“. Příroda. 347 (6290): 261–263. Bibcode:1990 Natur.347..261A. doi:10.1038 / 347261a0.
  21. ^ Williams, J. G .; Newhall, X. X .; Dickey, J. O. (1996). Msgstr "Parametry relativity určené z rozsahu lunárního laseru". Fyzický přehled D. 53 (12): 6730–6739. Bibcode:1996PhRvD..53,6730 W. doi:10.1103 / PhysRevD.53.6730. PMID  10019959.
  22. ^ Viswanathan, V; Fienga, A; Minazzoli, O; Bernus, L; Laskar, J; Gastineau, M (květen 2018). „Nový měsíční efemerida INPOP17a a její aplikace na základní fyziku“. Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti. 476 (2): 1877–1888. arXiv:1710.09167. doi:10.1093 / mnras / sty096.
  23. ^ Kopeikin, S .; Xie, Y. (2010). „Nebeský referenční rámec a volnost měřidla v post-newtonovské mechanice systému Země – Měsíc“. Nebeská mechanika a dynamická astronomie. 108 (3): 245–263. Bibcode:2010CeMDA.108..245K. doi:10.1007 / s10569-010-9303-5.
  24. ^ Battat, J. B. R .; Murphy, T. W .; Adelberger, E. G .; et al. (Leden 2009). „Lunární laserový měřicí provoz Apache Point Observatory (APOLLO): Dva roky milimetrových přesných měření rozsahu Země-Měsíc1“. Publikace Astronomické společnosti Pacifiku. 121 (875): 29–40. Bibcode:2009PASP..121 ... 29B. doi:10.1086/596748. JSTOR  10.1086/596748.

externí odkazy