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Experimentos de alcance láser lunar

Experimento de alcance láser lunar de la misión Apolo 11

El alcance láser lunar (LLR) es la práctica de medir la distancia entre las superficies de la Tierra y la Luna mediante alcance 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 y que son reflejados de regreso a la Tierra por la superficie de la Luna o por uno de varios retrorreflectores instalados en la Luna. Tres fueron colocados por el programa Apolo de Estados Unidos ( 11 , 14 y 15 ), dos por las misiones soviéticas Lunokhod 1 y 2 , [1] y uno por la misión Chandrayaan-3 de la India . [2] [3]

Aunque es posible reflejar luz u ondas de radio directamente desde la superficie de la Luna (proceso conocido como EME ), se puede realizar una medición de alcance mucho más precisa utilizando retrorreflectores, ya que debido a su pequeño tamaño, la dispersión temporal en la señal reflejada es mucho más pequeño [4] y porque el retorno se reflejará más uniformemente con menos difusión.

Las mediciones de alcance láser también se pueden realizar con retrorreflectores instalados en satélites en órbita lunar, como el LRO . [5] [6]

Historia

Apolo 15 LRRR
Esquema del LRRR del Apolo 15

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 láser reflejados desde la superficie de la Luna usando un láser con una longitud de pulso de 50J y 0,5 milisegundos. [7] Más tarde, ese mismo año, un equipo soviético en el Observatorio Astrofísico de Crimea obtuvo mediciones similares utilizando un láser de rubí con conmutación Q. [8]

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. [9] 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 conjuntos de retrorreflectores más . Las mediciones exitosas del alcance del láser lunar en los retrorreflectores fueron reportadas por primera vez el 1 de agosto de 1969 por el telescopio de 3,1 m del Observatorio Lick . [9] Pronto siguieron observaciones del Observatorio de Rango 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 Lunokhod 1 y Lunokhod 2 no tripulados llevaban conjuntos más pequeños. Las señales reflejadas fueron inicialmente recibidas desde Lunokhod 1 por la Unión Soviética hasta 1974, pero no por los observatorios occidentales que no tenían información precisa sobre su ubicación. En 2010, el Lunar Reconnaissance Orbiter de la NASA localizó el rover Lunokhod 1 en imágenes y en abril de 2010 un equipo de la Universidad de California examinó el conjunto. [10] El conjunto de Lunokhod 2 continúa enviando señales a la Tierra. [11] Los conjuntos Lunokhod sufren de un menor rendimiento bajo la luz solar directa, un factor considerado en la ubicación del reflector durante las misiones Apolo. [12]

El conjunto del Apolo 15 es tres veces el tamaño de los conjuntos dejados por las dos misiones Apolo anteriores. Su tamaño lo convirtió en el objetivo de tres cuartas partes de las mediciones de la muestra tomadas en los primeros 25 años del experimento. Las mejoras en la tecnología desde entonces han resultado en un mayor uso de los conjuntos más pequeños, en sitios como el Observatorio de la Costa Azul 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 planearon 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 las mediciones hasta 100 veces con respecto a los sistemas existentes. [13] [14] [15] El lanzamiento del MX-1E estaba programado para julio de 2020, [16] sin embargo, a partir de febrero de 2020, el lanzamiento del MX-1E se canceló. [17] El módulo de aterrizaje lunar Chandrayaan-3 de la India colocó con éxito un sexto reflector en la Luna en agosto de 2023. [3] MoonLIGHT se lanzará a principios de 2024 con una misión de Servicios Comerciales de Carga Lunar (CLPS). [18]

Principio

Imagen comentada de la cara visible de la Luna que muestra la ubicación de los retrorreflectores dejados en la superficie por las misiones Apolo y Lunokhod [19]

La distancia a la Luna se calcula aproximadamente mediante 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 distancia y 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 la propagación a través de la atmósfera terrestre , la ubicación de la estación de observación y su movimiento debido al movimiento de la corteza terrestre y las mareas , y efectos relativistas . [20] [21] La distancia cambia continuamente por varias razones, pero tiene un promedio de 385.000,6 km (239.228,3 millas) entre el centro de la Tierra y el centro de la Luna. [22] Las órbitas de la Luna y los planetas se integran numéricamente junto con la orientación de la Luna llamada libración física . [23]

En la superficie de la Luna, el rayo tiene aproximadamente 6,5 kilómetros (4,0 millas) de ancho [24] [i] y los científicos comparan la tarea de apuntar el rayo con el uso de 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 ser vista por el ojo humano. De un pulso de 3×10 17 fotones [25] dirigido al reflector, sólo entre 1 y 5 llegan a la Tierra, incluso en buenas condiciones. [26] Se pueden identificar como provenientes del láser porque el láser es altamente monocromático .

Desde 2009, la distancia a la Luna se puede medir con precisión milimétrica. [27] En un sentido relativo, esta es una de las mediciones de distancia más precisas jamás realizadas y equivale en precisión a determinar la distancia entre Los Ángeles y Nueva York con una precisión del ancho de un cabello humano.

Lista de retrorreflectores

Lista de observatorios

La siguiente tabla presenta una lista de estaciones de medición de láser lunar activas e inactivas en la Tierra. [22] [28]

Análisis de los datos

Los datos de alcance del láser lunar se recopilan para extraer valores numéricos para una serie de parámetros. El análisis de los datos de alcance implica dinámica, geofísica terrestre y geofísica lunar. El problema de modelización implica dos aspectos: un cálculo preciso de la órbita lunar y la orientación lunar, y un modelo preciso para el tiempo de vuelo desde una estación de observación hasta un retrorreflector y de regreso a la estación. Los datos modernos de alcance láser lunar se pueden ajustar con un valor rms residual ponderado de 1 cm.

El modelo de gama incluye [36] [37]

Para el modelo terrestre, los Convenios IERS (2010) son una fuente de información detallada. [38]

Resultados

Los datos de medición de alcance láser lunar están disponibles en el Centro de Análisis Lunar del Observatorio de París, [39] los archivos del Servicio Internacional de Rango Láser, [40] [41] y las estaciones activas. Algunos de los hallazgos de este experimento a largo plazo son: [22]

Propiedades de la luna

Física gravitacional

Galería

Ver también

Referencias

  1. ^ 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 alcance, afirmando que el haz dirigido a un reflector tan pequeño no puede alcanzar un objetivo en movimiento. Sin embargo, el tamaño del haz es mucho mayor que cualquier movimiento, especialmente para el haz de retorno.
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enlaces externos