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Experimentos de medición de distancias por láser lunar

Experimento de medición de distancia por láser lunar de la misión Apolo 11

El método de medición de distancias por láser (LLR) es la práctica de medir la distancia entre las superficies de la Tierra y la Luna mediante el uso de láseres . 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 se reflejan de vuelta a la Tierra por la superficie de la Luna o por uno de los varios retrorreflectores instalados en la Luna. Tres fueron colocados por el programa Apolo de los Estados Unidos ( 11 , 14 y 15 ), dos por las misiones soviéticas Lunokhod 1 y 2 [ 1] y uno por la misión india Chandrayaan-3 . [2] [3]

Aunque es posible reflejar luz u ondas de radio directamente desde la superficie de la Luna (un 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 menor [4] y porque el retorno se reflejará de manera más uniforme con menos difusión.

Las mediciones de distancia por láser también se pueden realizar con retrorreflectores instalados en satélites que orbitan la Luna, como el LRO . [5] [6]

Historia

LRRR del Apolo 15
Esquema del LRRR del Apolo 15

Las primeras pruebas de medición de distancias lunares exitosas se llevaron a cabo en 1962, cuando Louis Smullin y Giorgio Fiocco, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, lograron observar pulsos láser reflejados desde la superficie de la Luna utilizando un láser con una longitud de pulso de 50 J y 0,5 milisegundos. [7] Un equipo soviético obtuvo mediciones similares más tarde ese mismo año en el Observatorio Astrofísico de Crimea utilizando un láser de rubí conmutado por Q. [8]

Poco después, el estudiante de posgrado 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 primeras mediciones exitosas del alcance del láser lunar a los retrorreflectores se informaron el 1 de agosto de 1969 mediante el telescopio de 3,1 m del Observatorio Lick . [9] Pronto siguieron las observaciones del Observatorio de alcance lunar de los Laboratorios de investigación de la Fuerza Aérea de Cambridge en Arizona, el Observatorio Pic du Midi en Francia, el Observatorio Astronómico de Tokio y el Observatorio McDonald en Texas.

Los rovers soviéticos no tripulados Lunokhod 1 y Lunokhod 2 llevaban conjuntos de antenas más pequeñas. Las señales reflejadas fueron recibidas inicialmente por la Unión Soviética hasta 1974, pero no por los observatorios occidentales que no tenían información precisa sobre la 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 midió la distancia del conjunto. [10] El conjunto del Lunokhod 2 continúa enviando señales a la Tierra. [11] Los conjuntos del Lunokhod sufren una disminución del rendimiento en la luz solar directa, un factor que se tuvo en cuenta en la colocación del reflector durante las misiones Apolo. [12]

El conjunto de la misión Apolo 15 es tres veces más grande que los conjuntos que dejaron las dos misiones Apolo anteriores. Su tamaño lo convirtió en el objetivo de las tres cuartas partes de las mediciones de muestra tomadas en los primeros 25 años del experimento. Las mejoras en la tecnología desde entonces han dado como resultado un mayor uso de los conjuntos más pequeños, en sitios como el Observatorio de la Costa Azul en Niza , Francia; y la Operación de medición de distancias por láser lunar del Observatorio Apache Point (APOLLO) en el Observatorio Apache Point en Nuevo México .

En la década de 2010 se planificaron varios retrorreflectores nuevos . El reflector MoonLIGHT , que se colocaría junto al módulo de aterrizaje privado MX-1E , se diseñó para aumentar la precisión de las mediciones hasta 100 veces con respecto a los sistemas existentes. [13] [14] [15] El MX-1E estaba programado para lanzarse en 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 de Carga Lunar Comercial (CLPS). [18]

Principio

Imagen anotada del lado visible de la Luna que muestra la ubicación de los retrorreflectores que dejaron en la superficie las misiones Apolo y Lunokhod [19]

La distancia a la Luna se calcula aproximadamente con la ecuación: distancia = ( velocidad de la luz × duración del retraso debido a la reflexión ) / 2. Como 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 propagación a través de la atmósfera terrestre , la ubicación de la estación de observación y su movimiento debido al movimiento de la corteza y las mareas , y los efectos relativistas . [20] [21] La distancia cambia continuamente por varias razones, pero tiene un promedio de 385.000,6 km (239.228,3 mi) 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 haz tiene unos 6,5 kilómetros (4,0 millas) de ancho [24] [i] y los científicos comparan la tarea de apuntar el haz con usar 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] dirigidos al reflector, solo alrededor de 1 a 5 son recibidos de vuelta en la Tierra, incluso en buenas condiciones. [26] Se pueden identificar como originados por el láser porque el láser es altamente monocromático .

A partir de 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 es equivalente 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 distancia láser lunar activas e inactivas en la Tierra. [22] [28]

Análisis de datos

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

El modelo de rango incluye [36] [37]

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

Resultados

Los datos de medición de distancias láser lunares están disponibles en el Centro de Análisis Lunar del Observatorio de París, [39] los archivos del Servicio Internacional de Distancias 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

Véase también

Referencias

  1. ^ Durante el tiempo de ida y vuelta, un observador de la Tierra se habrá movido alrededor de1 km (dependiendo de su latitud). Esto se ha presentado, incorrectamente, como una "refutación" del experimento de medición de distancia, con la afirmación de 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 devuelto.
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