El retrorreflector de medición de distancia por láser ( LRRR ) es el primer experimento de medición de distancia por láser que se ha podido desplegar en la Luna . Fue transportado en la misión Apolo 11 como parte del paquete de experimentos científicos iniciales de la misión Apolo, y en la misión Apolo 14 y Apolo 15 como parte del paquete de experimentos de superficie lunar de la misión Apolo (ALSEP). El LRRR consta de una serie de reflectores en las esquinas colocados dentro de un panel. Los rayos láser enviados desde la Tierra rebotan en el retrorreflector y la sincronización de la señal de retorno se puede utilizar para medir la distancia desde la fuente de la señal hasta el 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 mediante el uso de reflectores de esquina transportados en satélites artificiales. En ese momento, los láseres no se habían desarrollado, y este enfoque habría requerido el uso de tubos de flash . [2] Con el desarrollo del primer láser funcional en 1960 en Bell Labs , este experimento ya no estaba restringido a ser realizado en satélites artificiales , sino que también se podía utilizar la Luna , el satélite natural de la Tierra. [3]
El concepto de utilizar un reflector de esquina en la Luna surgió en 1961 de James E. Faller , que en ese momento era un candidato a doctorado de posgrado. Concebido con el programa de aterrizaje Surveyor de la NASA en mente, su idea consistía en un reflector de esquina montado dentro de una bola de goma que podría dejarse caer desde un módulo de aterrizaje robótico ; al aterrizar, el conjunto de la bola se enderezaría por sí solo 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 posterior del concepto no se produjo de inmediato. [3]
En 1962 hubo intentos de determinar con precisión la distancia de la Luna utilizando láseres sin retrorreflectores, el más notable fue un intento en 1962 por parte 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 dio como resultado mediciones de distancia con una precisión de hasta 120 metros (390 pies). Sin embargo, más allá de esto, los efectos del terreno se volvieron problemáticos y, cuando se combinaron con una intensidad de señal de retorno que es débil y temporalmente dispersa, la dispersión de la superficie no fue suficiente para el propósito de la medición de distancia de precisión. [4]
Después de una reunión del personal y ex alumnos de Princeton en una reunión de la Physical Society en 1964, se decidió que se debía proponer a la NASA un experimento basado en este concepto. Los planes para el experimento se expusieron en un documento que se publicó en 1965 y la propuesta a la NASA se presentó más tarde ese 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 adecuado para asumir el papel de investigador principal del experimento. Al mismo tiempo, se formó el comité asesor del Experimento de Medición de Distancia Lunar (LURE), cuyos miembros notables incluyeron 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 difíciles 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 matriz de cubos retrorreflectores de diámetro pequeño tendría un mejor rendimiento térmico que uno o más cubos más grandes de la misma masa. Este rendimiento térmico era 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 funcionar 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 las Apolo 11 y 14 consistían en 100 reflectores de esquina de sílice fundida sólidos 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 un diámetro de 3,8 cm (1,5 pulgadas) y se encuentra 1,9 cm (0,75 pulgadas) por 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 reflexión de la superficie lunar. [5] La vida útil esperada del experimento era 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 se desplegó aproximadamente a 60 pies (18 m) del Módulo Lunar Eagle . [5] Aldrin inicialmente alineó la cara del conjunto de manera aproximada para que estuviera de cara a la Tierra, con una alineación más precisa proporcionada por un reloj de sol. [1] El despliegue del instrumento tardó alrededor de 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 Wesleyana y el Centro de Vuelo Espacial Goddard en el Observatorio Lick ; y de la Universidad de Texas, la 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 señales 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 un programa de observación a largo plazo durante varios años. [5]
Cada sitio utilizó su propio láser de rubí Q-switched 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 haz láser a solo 2 segundos de arco. [5] Esto dio como resultado que los pulsos láser alcanzaran la Luna con un diámetro de 1 milla (1,6 km) en lugar de un diámetro de 300 millas (480 km). [6] El diámetro de la señal de retorno después de un viaje completo desde la Tierra a la Luna fue de 10 millas (16 km) de ancho, lo que resultó en solo 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 consigo beneficios adicionales, como el aumento del contraste percibido, lo que permite la identificación de características durante el día local en la Tierra. [1] Las preocupaciones sobre posibles interrupciones en la llegada de aeronaves a los aeropuertos cercanos del Área de la Bahía de San Francisco dieron lugar a que la Administración Federal de Aviación desviara las aeronaves. [1]
Tan pronto como se desplegó el instrumento, se intentó detectar señales de retorno sin éxito debido al tiempo de observación limitado y la incertidumbre a la hora de derivar la ubicación precisa del paquete experimental. [5] Las fuertes señales de retorno no serían detectadas hasta el 1 de agosto por el equipo del Observatorio Lick, 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 deriva persistente en los tiempos de señal medidos en comparación con los que se habían predicho. [1] La explicación fue que la ubicación registrada del telescopio Lick en la Tierra era incorrecta en aproximadamente 25 metros (82 pies). [1] Se realizaron detecciones adicionales por parte del Observatorio McDonald, el Observatorio Pic du Midi , el Observatorio de alcance lunar de los Laboratorios de investigación de la Fuerza Aérea de Cambridge y el Observatorio Astronómico de Tokio. [7]