Приветствую всех любителей космоса, и конечно же любителей конспирологических теорий типа,.. это.. ну вы знаете.
Множество вопросов у любителей конспирологии, да и простых обывателей вызывают лазерные уголковые отражатели оставленные миссиями "Аполлонов" на Луне.
Вкратце они такие - А зачем их (уголковые отражатели) вообще туда отправили? Почему нельзя было провести лазерную локацию Луны без отражателей? Луч света летит да Луны и обратно 2 секунды, и вернувшись он сместится в сторону, значит не могли принять обратный сигнал? Свет от Луны отразится в любом случае, а может это был не сигнал от отражателей? Да эти отражатели вообще бесполезная на Луне вещь. Ну и тд.
Сегодня я предлагаю вам прочесть перевод статьи, которая вышла в американском научно-популярном журнале Scientific American в марте 1970 года. Статья касается аспектов проведения лазерной локации Луны и измерения расстояния до нее. Статья довольно-таки обширна, поэтому будет разбита на несколько частей, дабы не утомлять вас длинным и долгим чтением.
В первой части рассматривается история наблюдения за Луной, повествуется о первых попытках измерить расстояние от Земли до Луны, о лазерной локации Луны, об особенностях и устройстве лазерного уголкового рефлектора (отражателя) и многих других аспектах проведения эксперимента по измерению расстояния от Земли до Луны. Заранее извиняюсь если где-то в тексте возникнут неточности перевода.
Лунный лазерный рефлектор
Рефлекторная решетка, размещенная на Луне ее первыми посетителями, возвращает импульсы света, испускаемые лазерами обратно на Землю. Время света в пути туда и обратно дает расстояние до Луны с точностью до шести дюймов
авторы Джеймс Э. Фаллер и Э. Джозеф Вамплер
В июле прошлого года астронавты миссии «Аполлон-11» разместили на поверхности Луны массив отражателей, что позволило измерить расстояние между Землей и Луной с точностью, приближающейся к шести дюймам (15 сантиметров). Расстояние определяется путем направления мощного луча лазера на отражатель и измерения времени, необходимого для прохождения импульса света до Луны и обратно. Важной величиной, однако, является не абсолютное расстояние между Землей и Луной в какой-то конкретный момент времени, а изменение расстояния, за период многих месяцев и лет.
Такие измерения могут быть полезны для решения ряда важных научных вопросов. К ним относятся определение того, как распределяется масса внутри Луны, скорость, с которой континенты на Земле дрейфуют друг к другу, или удаляются друг от друга; измерение местоположения Северного магнитного полюса Земли (который смещается под действием неизвестных сил). Более фундаментальный вопрос, на который можно ответить с помощью длительных долгосрочных наблюдений за расстоянием между Землей и Луной - является ли гравитационная постоянная действительно постоянной, или же она меняется с течением времени.
На протяжении более 2000 лет Луна была испытательным полигоном для теорий человека о Вселенной. В третьем веке до н.э Аристарх Самосский наблюдая лунные затмения сделал вывод, что расстояние до Луны примерно в 10 раз больше диаметра Земли. Он основывал свою оценку на том, что диаметр тени Земли на Луне во время затмения примерно в два с половиной раза превышает диаметр Луны. Если бы солнце было точечным источником света в бесконечности, тень Земли была бы точно такой же ширины, как сама Земля. В этом случае диаметр Луны составлял бы 40 процентов диаметра Земли. Однако Аристарх понял, что конусообразные тени, отбрасываемые Солнцем, сужаются под углом примерно в шесть градусов. Учитывая это и оценив (хотя и неверно) видимый диаметр лунного диска, он пришел к своему значению расстояния. Оценка Аристарха была бы намного лучше, если бы он не ошибся в оценке видимого размера Луны. Его оценка составляла два градуса дуги, поэтому по его расчетам Луна была ближе, чем есть на самом деле.
Столетие спустя Гиппарх использовал более точное значение для видимого диаметра и вычислил расстояние до Луны, равное 59 радиусам Земли. (Истинное среднее расстояние составляет 60.3 радиуса Земли, или около 239 000 миль (384633,216 км).) Гиппарх также обнаружил эксцентричность орбиты Луны, наклон орбиты Луны к плоскости орбиты Земли, движение узлов (точек, где орбита Луны пересекается с плоскостью орбиты Земли) и движение апсид (минимальное и максимальное расстояние Луны от Земли).
За исключением незначительных улучшений в некоторых измерениях, не было никакого фундаментального прогресса в наших знаниях о движении Луны до революции, которая охватила астрономию в 16-17 веках. Кульминационным достижением этого периода стала теория гравитации Ньютона, в которой Луна играла первостепенное значение.
Я сравнил, силу, необходимую для удержания Луны на ее орбите, с силой тяжести на поверхности Земли и обнаружил, что они почти соответствуют друг другу".
- писал Ньютон
В следующие два с половиной столетия астрономы использовали измерения оптического параллакса и одновременные наблюдения покрытия звезд, чтобы уменьшить неопределенность в отношении расстояния между Землей и Луной до ±2 миль (3,2 км). С 1957 г. радиолокационные методы также используются для изучения Луны. В дополнение к определению расстояния до Луны до ± 0,7 мили (1,1 км), радиолокационные исследования предоставили информацию о мелкомасштабной шероховатости поверхности Луны и даже некоторых электрических свойствах материала ее поверхности. Совсем недавно свет от рубиновых лазеров был направлен на Луну, и был обнаружен слабый отраженный сигнал .
Впервые отражение рубинового лазера от поверхности Луны, было получено восемь лет назад группой исследователей из Массачусетского технологического института. Лазерные импульсы длительностью в одну миллисекунду передавались через 12-ти дюймовый (30,5 см) телескоп. В качестве приемника отраженного света использовался 48-дюймовый (122 см) телескоп. Потребовалось сделать много снимков, прежде чем обнаружить отраженный от Луны свет. Аналогичный эксперимент с отражением был проведен в 1964 году советскими астрономами, которые использовали 104-дюймовый (264 см) телескоп для как для передачи, так и для приема. Первый эксперимент с достаточной точностью, был проведен той же советской исследовательской группой осенью 1965 года, когда использовался 104 дюймовый телескоп для передачи и детектирования импульсов длительностью 50 наносекунд, производимых рубиновым короткоимпульсным лазером. В ходе эксперимента было установлено расстояние от Земли до Луны с точностью около 600 футов (183 м). Фундаментальное ограничение на точность, которую можно получить, отражая световой луч непосредственно от лунной поверхности, возникает из-за изгиба и неровности поверхности, которые увеличивают время прихода отраженного сигнала.
Несколько месяцев назад, примерно через 2000 лет после первого измерения, метод определения расстояния между Землей и Луной был кардинально изменен. Во время своего краткого пребывания на Луне Эдвин Э. Олдрин и Нил Армстронг установили массив "светоотражателей", которые могут возвращать лазерный луч с интенсивностью от 10 до 100 раз большей, чем при отражении от естественной поверхности Луны. Не менее важно и то, что массив светоотражателей устраняет растягивание во времени, возникающее в результате отражения световых импульсов от разных частей лунной поверхности.
Эксперимент с лазерной дальнометрией был начат примерно 10 годами ранее в Принстонском университете, группой возглавляемой Р. Х. Дике. В 1959 году три члена этой группы написали статью, в которой рассматривалась проблема проведения точных оптических измерений положения искусственных спутников на орбите Земли. В документе обсуждались три метода освещения спутника для получения информации о его дальности: прямой солнечный свет, пульсирующий свет на борту спутника, или оптический "уголковый" отражатель, или ретранслятор, который мог быть установлен на борту спутника для переотражения импульсных лучей света от наземного прожектора. Работа привела к ранним экспериментам, проведенным Генри Х. Плоткиным и его группой спутникового слежения в Центре космических полетов имени Годдарда.
В 1962 году, группа исследователей из Массачусетского технологического института сообщила о первом отражении лазера от Луны. Принстонской группой исследователей, было предложено разместить на Луне уголковый отражатель, чтобы увеличить силу возвращаемого сигнала и улучшить его четкость во времени. Хотя первоначально эксперимент с лазерной дальнометрией был вызван проблемой, поставленной скалярно-тензорной теорией тяготения Бранса-Дике, он вдобавок имел большое значение для ряда областей геофизики и астрофизики. После публикации в 1965 году статьи под названием "Оптический обзор с использованием уголкового отражателя на Луне", была сформирована исследовательская группа LURE (Lunar Ranging Experiment).
Члены исследовательской группы представляли многие области науки, а также давали широкую базу знаний, необходимую для успешного проведения эксперимента. Координация усилий исследовательской группы была ответственной задачей Кэрролла О. Элли из Университета штата Мэриленд.
Комплект световозвращателей, который был доставлен на Луну в июле прошлого года, состоит из 100 элементов, расположенных в 18-дюймовом (46 см) квадратном массиве.
Каждый из 100 отражателей, по сути, является сверхточной версией отражателей, используемых на велосипедах или в дорожных знаках. Он предназначен для направления луча света обратно к его источнику, независимо от направления, с которого он пришел. Каждый куб делает для трехмерного мира света то же, что угол бильярдного стола делает для двумерного мира бильярда. Отправленный в угол стола бильярдный шар, после двух отскоков вернется по траектории, параллельной направлению его движения.
В случае света три отражающие поверхности, расположенные под прямыми углами друг к другу, образуют угол с одинаковым световозвращающим свойством. Предварительный дизайн лазерного рефлектора был предложен Джеймсом Э. Фаллером, из Уэслианского университета, после рассмотрения многих (иногда противоречивых) требований, предъявляемых к конструкции.
Ученые из Университета штата Мэриленд точно рассчитали распространение отраженного луча от светоотражателя и проверили его форму в условиях лунной поверхности с помощью солнечного симулятора в Центре космических полетов имени Годдарда. Окончательный дизайн, изготовление и тестирование лунного лазерного рефлектора, на основе подробного термического анализа, был проведен компанией Arthur D. Little, Inc. в сотрудничестве с членами исследовательской группы LURE. Компании Perkin-Elmer Corporation и Boxton-Beel, Inc. изготовили чрезвычайно точные отражатели. Подразделение аэрокосмических систем корпорации Bendix несло общую инженерную ответственность за включение лазерного рефлектора в пакет ранних научных экспериментов миссии "Аполлон".
Теоретически можно легко определить оптимальный размер уголкового отражателя для определения расстояния. Интенсивность отраженного света максимизируется за счет использования одного светоотражателя, настолько большого, насколько позволяют ограничения по массе.
Однако на практике при проектировании необходимо учитывать две проблемы. Первая заключается в том, что возвращаемый лазерный луч будет смещен в сторону из-за относительного движения между Луной и лазерным передатчиком (аберрация скорости). Вторая – оптическое искажение, возникающее в результате прямого солнечного нагрева и большого колебания температуры на поверхности Луны (от -170 до +130 градусов Цельсия).
Эффект аберрации скорости заключается в смещении центра возвращаемого луча примерно на милю (1,6 км) от точки отправки луча. Из-за этого сдвига использование на Луне угловых отражателей диаметром пять дюймов (12 см) и более потребовало бы пространственного разделения приемного телескопа и лазера, чтобы уловить часть отраженного света. Однако для кубов диаметром менее пяти дюймов дифракционная полоса света будет достаточно широка, поэтому лазер и телескоп все равно будет в какой-то степени по-прежнему освещаться частью отраженного света.
Чтобы свести к минимуму разность температур, которая могла бы исказить дифракционную картину отраженного луча, мы отправили на Луну уголковый отражатель наименьшего эффективного диаметра (1,5 дюйма (3,8 см)), и использовали достаточное количество уголковых отражателей, чтобы получить четкий сигнал. Разница температуры дополнительно минимизируется за счет утопления каждого отражателя на половину его диаметра в круглом гнезде. Каждый отражатель закреплен между тефлоновыми кольцами, что обеспечивает максимально возможную теплоизоляцию.
Монтажная конструкция обеспечивает пассивный термоконтроль за счет свойств поверхности, а также ее геометрии и изоляции. Чтобы увеличить срок службы матрицы и избежать дополнительных тепловых искажений, мы согласились на снижение мощности сигнала примерно на две трети, полагаясь на полное внутреннее отражение, а не на покрытие алюминием задних поверхностей отдельных отражателей.
Уголковые отражатели диаметром менее 1,5 дюйма, рассеивали бы свет слишком сильно, в результате чего приемник собирал бы его меньше. Как бы то ни было, свет отраженный одним из уголковых отражателей, пройдя расстояние в 240 000 миль обратно к Земле, из-за дифракции покроет площадь до 10 миль (16 км) в диаметре.
Продолжение следует...