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]
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. Desde entonces, las mejoras tecnológicas 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
La distancia a la Luna se calcula aproximadamente usando 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 y la orientación lunares, 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.
La distancia entre el centro de la Tierra y el centro de la Luna se calcula mediante un programa que integra numéricamente las órbitas lunares y planetarias que tienen en cuenta la atracción gravitacional del Sol, los planetas y una selección de asteroides. [36] [23]
El mismo programa integra la orientación de 3 ejes de la Luna llamada Libración física .
Mareas en la Tierra sólida y movimiento estacional de la Tierra sólida con respecto a su centro de masa.
Transformación relativista de coordenadas temporales y espaciales desde un marco que se mueve con la estación a un marco fijo con respecto al centro de masa del sistema solar. La contracción de Lorentz de la Tierra es parte de esta transformación.
Retraso en la atmósfera terrestre.
Retraso relativista debido a los campos de gravedad del Sol, la Tierra y la Luna.
La posición del retrorreflector tiene en cuenta la orientación de la Luna y las mareas de cuerpos sólidos.
Contracción de Lorentz de la Luna.
Expansión y contracción térmica de los soportes del retrorreflector.
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 alcance láser, [40] [41] y las estaciones activas. Algunos de los hallazgos de este experimento a largo plazo son: [22]
Propiedades de la luna
La distancia a la Luna se puede medir con precisión milimétrica. [27]
La Luna se aleja en espiral de la Tierra a un ritmo de3,8 cm/año . [24] [42] Esta tasa ha sido descrita como anormalmente alta. [43]
El núcleo fluido de la Luna se detectó a partir de los efectos de la disipación del límite entre el núcleo y el manto. [44]
La Luna tiene libraciones físicas libres que requieren uno o más mecanismos estimulantes. [45]
La disipación de las mareas en la Luna depende de la frecuencia de las mareas. [42]
La Luna probablemente tiene un núcleo líquido de aproximadamente el 20% del radio de la Luna. [11] El radio del límite entre el núcleo y el manto lunar se determina como381 ± 12 kilómetros . [46]
El aplanamiento polar del límite entre el núcleo y el manto lunar se determina como(2,2 ± 0,6) × 10 −4 . [46]
La nutación libre del núcleo de la Luna se determina como367 ± 100 años . [46]
Las ubicaciones precisas de los retrorreflectores sirven como puntos de referencia visibles para las naves espaciales en órbita. [47]
La libertad de calibre juega un papel importante en una interpretación física correcta de los efectos relativistas en el sistema Tierra-Luna observados con la técnica LLR. [49]
La probabilidad de cualquier efecto Nordtvedt (una hipotética aceleración diferencial de la Luna y la Tierra hacia el Sol causada por sus diferentes grados de compacidad) se ha descartado con gran precisión, [50] [48] [51] apoyando firmemente el principio de equivalencia fuerte. .
^ 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.
^ Chapront, J.; Chapront-Touzé, M.; Francou, G. (1999). "Determinación de los parámetros orbitales y rotacionales lunares y de la orientación del sistema de referencia de la eclíptica a partir de mediciones LLR y datos IERS". Astronomía y Astrofísica . 343 : 624–633. Código Bib : 1999A y A...343..624C.
^ "Chandrayaan-3". ISRO . Consultado el 15 de agosto de 2023 .
^ ab Dhillon, Amrit (23 de agosto de 2023). "India aterriza una nave espacial cerca del polo sur de la luna por primera vez en la historia". El guardián . Consultado el 23 de agosto de 2023 .
^ Müller, Jürgen; Murphy, Thomas W.; Schreiber, Ulrich; Shelus, Peter J.; Torre, Jean-Marie; Williams, James G.; Boggs, Dale H.; Bouquillon, Sebastián; Bourgoin, Adrián; Hofmann, Franz (2019). "Lunar Laser Ranging: una herramienta para la relatividad general, la geofísica lunar y las ciencias de la Tierra". Revista de Geodesia . 93 (11): 2195–2210. Código Bib : 2019JGeod..93.2195M. doi :10.1007/s00190-019-01296-0. ISSN 1432-1394. S2CID 202641440.
^ Mazarico, Erwan; Sol, Xiaoli; Torre, Jean-Marie; Courde, Clément; Chabé, Julien; Aimar, Mourad; Mariey, Hervé; Mauricio, Nicolás; Barker, Michael K.; Mao, Dandan; Cremons, Daniel R.; Bouquillon, Sébastien; Carlucci, peluche; Viswanathan, Vishnu; Lemoine, Frank; Bourgoin, Adrián; Ejertier, Pierre; Neumann, Gregorio; Zuber, María; Smith, David (6 de agosto de 2020). "Primer láser bidireccional que llega a un orbitador lunar: observaciones infrarrojas desde la estación Grasse hasta el conjunto de retrorreflectores del LRO". Tierra, Planetas y Espacio . 72 (1): 113. Código bibliográfico : 2020EP&S...72..113M. doi : 10.1186/s40623-020-01243-w . hdl : 11603/19523 . ISSN 1880-5981.
^ Kornei, Katherine (15 de agosto de 2020). "¿Cómo se resuelve el misterio de la luna? Dispárale un láser". Los New York Times . ISSN 0362-4331 . Consultado el 1 de junio de 2021 .
^ Smullin, Luis D.; Fiocco, Giorgio (1962). "Ecos ópticos de la luna". Naturaleza . 194 (4835): 1267. Código bibliográfico : 1962Natur.194.1267S. doi : 10.1038/1941267a0 . S2CID 4145783.
^ Doblador, PL; et al. (1973). "El experimento de alcance del láser lunar: los alcances precisos han dado una gran mejora en la órbita lunar y nueva información selenofísica" (PDF) . Ciencia . 182 (4109): 229–238. Código Bib : 1973 Ciencia... 182.. 229B. doi : 10.1126/ciencia.182.4109.229. PMID 17749298. S2CID 32027563.
^ ab Newman, Michael E. (26 de septiembre de 2017). "A la Luna y de regreso... en 2,5 segundos". NIST . Consultado el 27 de enero de 2021 .
^ McDonald, K. (26 de abril de 2010). "Físicos de UC San Diego localizan un reflector soviético perdido hace mucho tiempo en la Luna". Universidad de California, San Diego. Archivado desde el original el 30 de abril de 2010 . Consultado el 27 de abril de 2010 .
^ abc Williams, James G.; Dickey, Jean O. (2002). Geofísica, geodesia y dinámica lunar (PDF) . XIII Taller Internacional sobre Alcance Láser. 7 a 11 de octubre de 2002. Washington, DC
^ "No son sólo los astronautas los que están envejeciendo". Universo hoy . 10 de marzo de 2010 . Consultado el 24 de agosto de 2012 .
^ Currie, Douglas; Dell'Agnello, Simone; Delle Monache, Giovanni (abril-mayo de 2011). "Un conjunto de retrorreflectores de alcance láser lunar para el siglo XXI". Acta Astronáutica . 68 (7–8): 667–680. Código bibliográfico : 2011AcAau..68..667C. doi :10.1016/j.actaastro.2010.09.001.
^ Tune, Lee (10 de junio de 2015). "UMD, Italia y MoonEx se unen para colocar nuevas matrices reflectantes de láser en la Luna". UMD ahora mismo . Universidad de Maryland. Archivado desde el original el 22 de marzo de 2018 . Consultado el 21 de marzo de 2018 .
^ Boyle, Alan (12 de julio de 2017). "Moon Express revela su hoja de ruta para saltos gigantes a la superficie lunar... y viceversa". GeekWire . Consultado el 15 de marzo de 2018 .
^ Moon Express Lunar Scout (MX-1E), RocketLaunch.Live, archivado desde el original el 27 de julio de 2019 , recuperado 27 de julio 2019
↑ «MX-1E 1, 2, 3» . Consultado el 24 de mayo de 2020 .
^ "Cargas útiles de la NASA para (CLPS PRISM) CP-11".
^ "¿Se equivocó Galileo?". NASA . 6 de mayo de 2004. Archivado desde el original el 30 de abril de 2022.
^ Williams, James G.; Boggs, Dale H. (2020). "El modelo 2020 de la gama JPL Lunar Laser". ssd.jpl.nasa.gov . Consultado el 24 de mayo de 2021 .
^ abcdefg Murphy, TW (2013). "Alcance del láser lunar: el desafío del milímetro" (PDF) . Informes sobre los avances en física . 76 (7): 2. arXiv : 1309.6294 . Código Bib : 2013RPPh...76g6901M. doi :10.1088/0034-4885/76/7/076901. PMID 23764926. S2CID 15744316.
^ ab Park, Ryan S.; Folkner, William M.; Williams, James G.; Boggs, Dale H. (2021). "Las efemérides planetarias y lunares del JPL DE440 y DE441". La Revista Astronómica . 161 (3): 105. Código bibliográfico : 2021AJ....161..105P. doi : 10.3847/1538-3881/abd414 . ISSN 1538-3881. S2CID 233943954.
^ ab Espenek, F. (agosto de 1994). "NASA - Precisión de las predicciones de eclipses". NASA/GSFC . Consultado el 4 de mayo de 2008 .
^ "Los conceptos básicos de la localización lunar" . Consultado el 21 de julio de 2023 .
^ Merkowitz, Stephen M. (2 de noviembre de 2010). "Pruebas de gravedad utilizando alcance láser lunar". Reseñas vivas en relatividad . 13 (1): 7. Código Bib : 2010LRR....13....7M. doi : 10.12942/lrr-2010-7 . ISSN 1433-8351. PMC 5253913 . PMID 28163616.
^ ab Battat, JBR; Murphy, TW; Adelberger, EG; et al. (Enero de 2009). "La operación de alcance láser lunar del Observatorio Apache Point (APOLLO): dos años de mediciones con precisión milimétrica del rango Tierra-Luna1". Publicaciones de la Sociedad Astronómica del Pacífico . 121 (875): 29–40. Código Bib : 2009PASP..121...29B. doi : 10.1086/596748 . JSTOR 10.1086/596748.
^ Biskupek, Liliane; Müller, Jürgen; Torre, Jean-Marie (3 de febrero de 2021). "Beneficio de los nuevos datos LLR de alta precisión para la determinación de parámetros relativistas". Universo . 7 (2): 34. arXiv : 2012.12032 . Código Bib : 2021Univ....7...34B. doi : 10.3390/universo7020034 .
^ Doblador, PL; Currie, director general; Dickey, RH; Eckhardt, DH; Faller, JE; Kaula, WM; Mulholland, JD; Plotkin, HH; Poultney, SK; et al. (1973). "El experimento de alcance del láser lunar". Ciencia . 182 (4109): 229–238. Código Bib : 1973 Ciencia... 182.. 229B. doi : 10.1126/ciencia.182.4109.229. ISSN 0036-8075. PMID 17749298. S2CID 32027563.
^ Yagudina (2018). "Procesamiento y análisis de observaciones de alcance con láser lunar en Crimea en 1974-1984". Instituto de Astronomía Aplicada de la Academia de Ciencias de Rusia . Consultado el 1 de junio de 2021 .
^ Chabé, Julien; Courde, Clément; Torre, Jean-Marie; Bouquillon, Sébastien; Bourgoin, Adrián; Aimar, Mourad; Albanese, Dominique; Chauvineau, Bertrand; Mariey, Hervé; Martinot-Lagarde, Grégoire; Mauricio, Nicolás (2020). "Progresos recientes en la medición de alcance láser lunar en la estación de medición de láser de Grasse". Ciencias de la Tierra y el Espacio . 7 (3): e2019EA000785. Código Bib : 2020E&SS....700785C. doi : 10.1029/2019EA000785 . ISSN 2333-5084. S2CID 212785296.
^ "Observatorio de señuelos". Instituto de Astronomía, Universidad de Hawaii . 29 de enero de 2002 . Consultado el 3 de junio de 2021 .
^ "APOL - Observatorio Apache Point".
^ Eckl, Johann J.; Schreiber, K. Ulrich; Schüler, Torben (30 de abril de 2019). "Alcance láser lunar que utiliza un detector de estado sólido altamente eficiente en el infrarrojo cercano". En Domokos, Pedro; James, Ralph B; Prochazka, Iván; Sobolewski, romano; Gali, Adán (eds.). Óptica Cuántica y Conteo de Fotones 2019 . vol. 11027. Sociedad Internacional de Óptica y Fotónica. pag. 1102708. Código Bib : 2019SPIE11027E..08E. doi :10.1117/12.2521133. ISBN9781510627208. S2CID 155720383.
^ Li Yuqiang, 李语强; Fu Honglin, 伏红林; Li Rongwang, 李荣旺; Tang Rufeng, 汤儒峰; Li Zhulian, 李祝莲; Zhai Dongsheng, 翟东升; Zhang Haitao, 张海涛; Pi Xiaoyu, 皮晓宇; Ye Xianji, 叶贤基; Xiong Yaoheng, 熊耀恒 (27 de enero de 2019). "Investigación y experimento de alcance láser lunar en los observatorios de Yunnan". Revista china de láseres . 46 (1): 0104004. doi : 10.3788/CJL201946.0104004. S2CID 239211201.
^ ab Pavlov, Dmitry A.; Williams, James G.; Suvorkin, Vladimir V. (2016). "Determinación de los parámetros del movimiento orbital y de rotación de la Luna a partir de observaciones LLR utilizando modelos recomendados por GRAIL e IERS". Mecánica celeste y astronomía dinámica . 126 (1): 61–88. arXiv : 1606.08376 . Código Bib : 2016CeMDA.126...61P. doi :10.1007/s10569-016-9712-1. ISSN 0923-2958. S2CID 119116627.
^ Williams, James G.; Boggs, Dale H. (2020). "El modelo 2020 de la gama JPL Lunar Laser". ssd.jpl.nasa.gov . Consultado el 1 de junio de 2021 .
^ "IERS - Notas técnicas del IERS - Convenciones del IERS (2010)". www.iers.org . Consultado el 1 de junio de 2021 .
^ "Observaciones de alcance láser lunar desde 1969 hasta mayo de 2013". Observatorio SYRTE de París . Consultado el 3 de junio de 2014 .
^ "Servicio internacional de medición por láser".
^ "Servicio internacional de medición por láser".
^ ab Williams, James G.; Boggs, Dale H. (2016). "Cambios de marea seculares en la órbita lunar y la rotación de la Tierra". Mecánica celeste y astronomía dinámica . 126 (1): 89–129. Código Bib : 2016CeMDA.126...89W. doi :10.1007/s10569-016-9702-3. ISSN 0923-2958. S2CID 124256137.
^ Facturas, BG; Ray, RD (1999). "Evolución de los orbitales lunares: una síntesis de resultados recientes". Cartas de investigación geofísica . 26 (19): 3045–3048. Código Bib : 1999GeoRL..26.3045B. doi : 10.1029/1999GL008348 .
^ Williams, James G.; Boggs, Dale H.; Yoder, Charles F.; Ratcliff, J. Todd; Dickey, Jean O. (2001). "Disipación rotacional lunar en cuerpo sólido y núcleo fundido". Revista de investigación geofísica: planetas . 106 (E11): 27933–27968. Código Bib : 2001JGR...10627933W. doi : 10.1029/2000JE001396 .
^ Rambaux, N.; Williams, JG (2011). «Las libraciones físicas de la Luna y determinación de sus modos libres» (PDF) . Mecánica celeste y astronomía dinámica . 109 (1): 85-100. Código Bib : 2011CeMDA.109...85R. doi :10.1007/s10569-010-9314-2. S2CID 45209988.
^ a B C Viswanathan, V .; Rambaux, N.; Fienga, A.; Laskar, J.; Gastineau, M. (9 de julio de 2019). "Restricción de observación sobre el radio y el achatamiento del límite entre el núcleo y el manto lunar". Cartas de investigación geofísica . 46 (13): 7295–7303. arXiv : 1903.07205 . Código Bib : 2019GeoRL..46.7295V. doi :10.1029/2019GL082677. S2CID 119508748.
^ Wagner, RV; Nelson, DM; Plescia, JB; Robinson, MS; Speyerer, EJ; Mazarico, E. (2017). "Coordenadas de características antropogénicas de la Luna". Ícaro . 283 : 92-103. Código Bib : 2017Icar..283...92W. doi : 10.1016/j.icarus.2016.05.011 . ISSN 0019-1035.
^ ab Williams, JG; Newhall, XX; Dickey, JO (1996). "Parámetros de relatividad determinados a partir del alcance del láser lunar". Revisión física D. 53 (12): 6730–6739. Código bibliográfico : 1996PhRvD..53.6730W. doi : 10.1103/PhysRevD.53.6730. PMID 10019959.
^ Kopeikin, S.; Xie, Y. (2010). "Marcos de referencia celestes y libertad de calibre en la mecánica posnewtoniana del sistema Tierra-Luna". Mecánica celeste y astronomía dinámica . 108 (3): 245–263. Código Bib : 2010CeMDA.108..245K. doi :10.1007/s10569-010-9303-5. S2CID 122789819.
^ Adelberger, por ejemplo; Heckel, BR; Smith, G.; Su, Y.; Swanson, HE (1990). "Experimentos de Eötvös, alcance lunar y el principio de equivalencia fuerte". Naturaleza . 347 (6290): 261–263. Código Bib :1990Natur.347..261A. doi :10.1038/347261a0. S2CID 4286881.
^ Viswanathan, V; Fienga, A; Minazzoli, O; Bernus, L; Laskar, J; Gastineau, M (mayo de 2018). "La nueva efeméride lunar INPOP17a y su aplicación a la física fundamental". Avisos mensuales de la Real Sociedad Astronómica . 476 (2): 1877–1888. arXiv : 1710.09167 . Código bibliográfico : 2018MNRAS.476.1877V. doi : 10.1093/mnras/sty096 .
^ Müller, J.; Biskupek, L. (2007). "Variaciones de la constante gravitacional a partir de datos de alcance del láser lunar". Gravedad clásica y cuántica . 24 (17): 4533. doi :10.1088/0264-9381/24/17/017. S2CID 120195732.
enlaces externos
"Teoría y modelo para la nueva generación de datos de alcance láser lunar" por Sergei Kopeikin
Alcance láser lunar del servicio internacional de alcance láser
"Un investigador de la Universidad de Washington planea un proyecto para determinar la distancia entre la Luna y la Tierra" por Vince Stricherz, UW Today , 14 de enero de 2002.
"Lo que Neil y Buzz dejaron en la Luna" por Science@NASA, 20 de julio de 2004
"El experimento del Apolo 11 sigue arrojando resultados" por Robin Lloyd, CNN , 21 de julio de 1999
"Disparando láseres a la Luna: Hal Walker y el retrorreflector lunar" por el Museo Nacional Smithsonian del Aire y el Espacio, YouTube, 20 de agosto de 2019