El retrorreflector de alcance láser ( LRRR ) es el primer experimento de alcance láser lunar desplegable . Se llevó a cabo en el Apolo 11 como parte del Paquete de Experimentos Científicos del Apolo Temprano, y en el Apolo 14 y el Apolo 15 como parte del Paquete de Experimentos de la Superficie Lunar del Apolo (ALSEP). El LRRR consta de una serie de reflectores de esquina colocados dentro de un panel. Los rayos láser enviados desde la Tierra rebotan en el retrorreflector y el tiempo de la señal de retorno se puede utilizar para medir la distancia desde la fuente de la señal al reflector. El reflector fue concebido por James E. Faller en 1961. El investigador principal del experimento fue inicialmente Carroll Alley de la Universidad de Maryland, a quien finalmente sucedió Faller.
La motivación para un retrorreflector surgió del deseo de una mayor base experimental para la relatividad general y específicamente de los problemas que surgieron con la teoría de la gravitación de Brans-Dicke . [1] Un grupo de investigación de la Universidad de Princeton había estado explorando la posibilidad de probar la constante gravitacional utilizando reflectores de esquina transportados en satélites artificiales. En ese momento no se habían desarrollado láseres y este enfoque habría requerido el uso de tubos de flash . [2] Con el desarrollo del primer láser funcional en 1960 en los Laboratorios Bell , este experimento ya no se limitó a ser realizado en satélites artificiales , sino que también se pudo utilizar la Luna , el satélite natural de la Tierra. [3]
La idea de utilizar un reflector de esquina en la Luna surgió en 1961 de James E. Faller , que en ese momento era candidato a doctorado. Concebida teniendo en mente el programa de aterrizaje Surveyor de la NASA , su idea consistía en un reflector de esquina montado dentro de una pelota de goma que podía dejarse caer desde un módulo de aterrizaje robótico ; al aterrizar, el conjunto de la bola se enderezaría automáticamente y apuntaría el reflector hacia arriba. Faller documentó estas ideas en una nota titulada "Un paquete lunar propuesto (un reflector de esquina en la Luna)", pero debido a que necesitaba completar su tesis, el desarrollo adicional del concepto no se produjo de inmediato. [3]
En 1962 hubo intentos de medir con precisión la Luna utilizando láseres sin retrorreflectores, sobre todo un intento en 1962 de Louis Smullin y Giorgio Fiocco del Instituto Tecnológico de Massachusetts . La superficie de la Luna puede dispersar un rayo láser y producir una señal lo suficientemente fuerte como para ser detectada en la Tierra, lo que da como resultado mediciones de alcance con una precisión de hasta 120 metros (390 pies). Más allá de esto, aunque los efectos del terreno se volvieron problemáticos, y cuando se combina con una intensidad de señal devuelta que es a la vez débil y temporalmente dispersa, la dispersión de la superficie no fue suficiente para fines de medición de precisión. [4]
Después de una asamblea del personal y ex alumnos de Princeton en una reunión de la Sociedad de Física en 1964, se decidió proponer a la NASA un experimento basado en este concepto. Los planes para el experimento se expusieron en un artículo que se publicó en 1965 y la propuesta a la NASA se presentó ese mismo año. [5] Esto fue dirigido por Carroll Alley , un profesor de la Universidad de Maryland cuya proximidad a la sede de la NASA lo hizo apto para asumir el papel de investigador principal del experimento. Al mismo tiempo, se formó el comité asesor del Lunar Ranging Experiment (LURE), cuyos miembros notables incluían a Robert H. Dicke , James E. Faller, David Todd Wilkinson , William M. Kaula y Gordon JF MacDonald . [6]
El experimento debía construirse para sobrevivir a las desafiantes condiciones ambientales que se encuentran en la superficie de la Luna. Esto incluye grandes variaciones de temperatura, radiación cósmica y solar , y polvo lunar levantado tanto por la llegada como por la salida del Módulo Lunar Apolo . [4] Faller identificó que una serie de cubos retrorreflectores de pequeño diámetro funcionaría térmicamente mejor que uno o más cubos más grandes de la misma masa. Este rendimiento térmico fue importante porque la sílice fundida, el material probable para los reflectores, se distorsiona ópticamente con las entradas de calor de la energía solar. [3] Había un fuerte deseo de que el experimento pudiera operar durante el día lunar para evitar la pérdida de oportunidades de recopilación de datos durante la mitad diurna de cada mes lunar . [5]
Los instrumentos de los Apolo 11 y 14 consistían en 100 reflectores de esquina sólidos de sílice fundida colocados dentro de un panel cuadrado de 45 cm (18 pulgadas). [6] Los reflectores de esquina fueron producidos por PerkinElmer y Boxton-Beel Inc. El diseño y la fabricación del paquete de matriz fueron completados por Arthur D. Little Inc. [6] Cada reflector tiene 3,8 cm (1,5 pulgadas) de diámetro y se encuentra a 1,9 cm (0,75 pulgadas) debajo de la superficie superior del panel y está montado entre anillos de teflón para una mayor protección térmica. [5] El panel podría colocarse con una ligera inclinación para que el panel pudiera presentar un área de sección transversal más optimizada. [5] El reflector permite el retorno de una señal de 10 a 100 veces más potente en comparación con la que se refleja en la superficie lunar. [5] La vida esperada del experimento fue de más de 10 años. [6]
El LRRR del Apolo 11 fue desplegado en la superficie lunar por el astronauta del Apolo 11, Buzz Aldrin , el 21 de julio de 1969. El paquete fue desplegado aproximadamente a 60 pies (18 m) del Módulo Lunar Eagle . [5] Aldrin inicialmente alineó la cara del conjunto de manera aproximada para que mirara hacia la Tierra, con una alineación más precisa proporcionada por un reloj de sol. [1] El despliegue del instrumento tardó unos 5 minutos en completarse. [1]
La detección de señales de retorno desde la superficie lunar fue realizada por equipos de la Universidad de California, la Universidad Wesleyan y el Centro de Vuelos Espaciales Goddard en el Observatorio Lick ; y de la Universidad de Texas, Universidad de Mary y Goddard en el Observatorio McDonald . El telescopio de 3 metros (9,8 pies) del Observatorio Lick se utilizó para el período de detección de señal inicial inmediatamente después del aterrizaje del Apolo 11. El telescopio de 2,7 metros (8 pies 10 pulgadas) del Observatorio McDonald se utilizó como parte de una observación a largo plazo. programa durante varios años. [5]
Cada sitio utilizó su propio láser de rubí con conmutación Q para proporcionar pulsos láser, de decenas de nanosegundos de duración y con energías de aproximadamente 7 julios por pulso. Cada telescopio se utilizó para reducir la divergencia del rayo láser a sólo 2 segundos de arco. [5] Esto dio como resultado que los pulsos láser alcanzaran la Luna con un diámetro de 1,6 km (1 mi) en lugar de un diámetro de 480 km (300 mi). [6] El diámetro de la señal devuelta después de un viaje completo desde la Tierra a la Luna fue de 16 km (10 millas) de ancho, lo que resultó en sólo 1,6 fotoelectrones detectables por disparo láser del telescopio. [6]
Para evitar riesgos para los operadores del telescopio, se utilizó un sistema de visualización electrónico para mitigar los riesgos que plantea la luz láser retrodispersada para el ojo humano. [1] Esto trajo beneficios adicionales, como aumentar el contraste percibido, lo que permite la identificación de características durante el día local en la Tierra. [1] Las preocupaciones sobre posibles interrupciones en los aviones que llegaban a los aeropuertos cercanos del Área de la Bahía de San Francisco provocaron que la Administración Federal de Aviación desviara los aviones. [1]
Tan pronto como se desplegó el instrumento, se intentó detectar señales devueltas sin éxito debido al tiempo de observación limitado y la incertidumbre a la hora de determinar la ubicación precisa del paquete experimental. [5] El equipo del Observatorio Lick no detectaría señales de retorno fuertes hasta el 1 de agosto, logrando una medición con una precisión de aproximadamente 7 metros (23 pies) durante la primera observación. [5] La detección ayudó a otros observatorios al reducir la incertidumbre de la ubicación del instrumento. [6] El panel finalmente permitió una precisión de medición de aproximadamente 15 cm (5,9 pulgadas). [1] Los científicos que operaban el telescopio Lick estaban desconcertados por una desviación persistente en los tiempos de señal medidos en comparación con los predichos. [1] La explicación fue que la ubicación registrada del telescopio Lick en la Tierra era incorrecta en aproximadamente 25 metros (82 pies). [1] El Observatorio McDonald, el Observatorio Pic du Midi , el Observatorio de Rango Lunar de los Laboratorios de Investigación de Cambridge de la Fuerza Aérea y el Observatorio Astronómico de Tokio realizaron detecciones adicionales . [7]