Приветствую вас!
Третья, заключительная часть статьи "Лунный лазерный рефлектор", которая вышла в американском научно-популярном журнале Scientific American в марте 1970 года. Речь пойдет о ходе проведения эксперимента по лазерной дальнометрии Луны, о том с какими проблемами столкнулись ученые при первых попытках зарегистрировать отраженный свет, а также о том - какую научную пользу, помимо простого измерения расстояния от Земли до Луны, принес этот эксперимент для многих направлений научных исследований.
Начало и вторая часть статьи тут👇
Перед нашей группой исследователей встал ряд проблем, которые нужно было решить, прежде чем успешно провести эксперимент. Особое беспокойство вызывало то, что при обычной посадке самолетов, прибывающих в аэропорты в районе залива Сан-Франциско, они проходят над Ликской обсерваторией. В качестве меры предосторожности Федеральное управление гражданской авиации отклонило самолеты от этой схемы захода на посадку, во время проведения эксперимента по лазерной дальнометрии Луны.
Первой ночью, когда мы были готовы послать лазерные импульсы к Луне, стала ночь самой высадки на Луну, 20 июля. К сожалению, первоначальные данные о дальности и положении рефлектора не были известны с достаточной точностью. Более того, Луна находилась так низко над горизонтом, что у нас было всего около часа, чтобы провести быстрые поиски ретрорефлектора до того, как Луна села. Эти поиски не увенчались успехом. Последующие попытки были также неудачными. Луна дрейфовала на юг по своей орбите, так что каждую ночь она была все ниже на небосводе. Как следствие, турбулентность в атмосфере приводила к плохой видимости.
Луна также росла, и это привело к помехам и нечетким сигналам, улавливаемым детекторами. Наконец, сами лазеры, которые работали на пределе возможности, требовали постоянного внимания. Через четыре дня после высадки, мы так и не обнаружили никаких обратных сигналов, и поскольку Луна теперь находилась неблагоприятно низко, мы решили не проводить эксперимент в течение следующих пяти дней, и использовать это время для работы над оборудованием и перепроверки каждой детали.
С новым набором координат места посадки, полученным от Центра космических полетов НАСА в Хьюстоне, 1 августа эксперимент был возобновлен. Первые отклики от рефлектора были зафиксированы примерно в 2:00 ночи 1 августа. Импульсы посылались неоднократно в течение оставшейся части ночи (один каждые 30 секунд, с выходной энергией от семи до восьми джоулей и длиной импульса около 10 наносекунды), они производили обратные сигналы, которые могли исходить только от ретрорефлектора, расположенного в Море Спокойствия.
Метод подсчета обратных импульсов можно кратко описать следующим образом. Фотону, который движется со скоростью 186 000 миль в секунду (1 079 252 848 км/ч), требуется около 2,5 секунд, чтобы преодолеть путь 480 000 миль (772485 км) к Луне и обратно. Соответственно, через 2,5 секунды после запуска лазерного импульса на Луну (точная временная задержка устанавливается для каждого импульса в соответствии с прогнозами дальности) последовательно активируются 12 счетчиков для подсчета любых импульсов, которые могут быть приняты фотодетектором. Общее время работы каждого счетчика можно регулировать в интервале от 0,25 микросекунды до двух микросекунд. Таким образом, общее время, доступное для обнаружения отраженных фотонов, может варьироваться от 3 до 24 микросекунд. За 24 микросекунды свет пройдет пять миль (8 км); За три микросекунды он пройдет всего 900 метров.
Таким образом, чтобы быть уверенными в том, что мы принимаем обратный сигнал, нам нужно знать расстояние до Луны и обратно в любой момент времени в этих пределах. Затем последовательность подсчета может быть центрирована по ожидаемому времени прибытия сигнала. Солнечный свет, рассеянный от лунной поверхности, создает фон, который медленно заполняет 12 каналов случайным образом. Если, луч лазера правильно направлен на ретрорефлектор, и если время рассчитано правильно, один из каналов будет постепенно заполняться быстрее, чем остальные.
1 августа было выпущено 162 лазерных импульса за девять прогонов, прежде чем были обнаружены первые обратные сигналы. Финальная серия из 120 импульсов, после различных корректировок, дала 100 успешных результатов, которые превысили фоновый уровень. Таким образом, более 80 процентов импульсов дали заметную отдачу. На двух прогонах мы достигли точности синхронизации в 0,1 микросекунду, это означало, что мы установили расстояние до Луны с точностью до ±25 футов (7,6 м). Мы были озадачены очевидным отклонением от предсказанного времени возвращения сигнала.
Позже эта тайна была разгадана, когда мы поняли, что 120-дюймовый телескоп расположен на некотором расстоянии от места, отведенного для Ликской обсерватории в "Американских эфемеридах" и "Морском альманахе". Таким образом, полезность эксперимента для геофизических измерений стала очевидной уже в первую ночь.
3 августа вторая лазерная установка успешно работала в течение почти двух часов. Данные, полученные в ходе этого прогона, установили расстояние от Земли до Луны с погрешностью всего ±20 футов (6,1 м). Результаты эксперимента показали, что ретрорефлектор не пострадал при старте лунного модуля "Орел", и что его работоспособность на Луне была в пределах ожидаемой. Кроме того, определение местоположения рефлектора на поверхности Луны вместе с измеренной дальностью помогло получить данные другими обсерваториями. В течение месяца обратные сигналы были успешно зарегистрированы в обсерватории Мак-До́налд и в военно-воздушном центре недалеко от Тусона.
Установка LURE в обсерватории Мак-До́налд, была создана исследователями из Университета штата Мэриленд и Центра космических полетов имени Годдарда, предназначена для высокоточных измерений расстояния до Луны в течение нескольких лет. Группа исследователей недавно смогла рассчитать время отраженного сигнала с точностью до двух наносекунд с помощью лазера с длиной импульса четыре наносекунды. Это соответствует точности в один фут (30 см). Небольшая неопределенность в скорости света не влияет на полезность результатов, поскольку все астрономические измерения основаны на международно признанном значении скорости света в 299 792,5 километров в секунду.
Давайте теперь более подробно рассмотрим вопросы, на которые можно будет ответить с помощью последовательного измерения расстояния до Луны.
Неизбежным результатом исследований станет определение более точного движения Луны по своей орбите. Еще одним эмпирическим результатом станет измерение лунных либраций - нерегулярного вращения Луны вокруг своего центра, которые позволяют нам видеть около 59 процентов лунной поверхности. Большая часть видимых либраций вызвана эллиптической орбитой Луны, но остаточные движения все равно присутствуют, так как масса Луны распределена неравномерно. Ретрорефлектор должен привести к значительному улучшению точности измерения этих либраций, он также предоставит данные для более точных расчетов распределения массы Луны. Мы сможем сделать некоторые выводы об истории Луны.
Еще одна важная цель – узнать больше о самой Земле. Современные теории предполагают, что поверхность Земли разделена на ряд больших плит, которые движутся относительно друг друга. Считается, что эти движения объясняют дрейф континентов. Например, считается, что Тихоокеанская плита движется к Японии со скоростью около четырех дюймов (10 см) в год. После того как наблюдательные станции будут созданы на Гавайях и в Японии, измерения расстояния до Луны позволят определить долготы этих станций с такой высокой точностью, что ожидаемое движение должно быть заметным в течение двух-трех лет.
Данные, полученные в результате измерения расстояния до Луны, также определят положение Северного полюса с точностью около 6 дюймов (15 см), что в 10 раз точнее, чем в настоящее время. Положение полюсов на поверхности Земли не стационарно. В течении года они гуляют по эллиптической траектории радиусом в 200 футов (61 м). Механизм колебания полюсов до сих пор вызывает много споров. Невозможно однозначно сказать, вызван ли он сдвигом массы атмосферы, изменениями в положении ядра и мантии, или сдвигом массы в коре. Последнее утверждение было предложено на основе корреляции сдвигов полюсов с крупными землетрясениями, поэтому более точные измерения помогут более полному пониманию землетрясений.
Измерения расстояния до Луны также позволят более точно определить скорость вращения Земли. Наконец, чувствительность, которую дает наличие массива отражателей на поверхности Луны, позволит снова использовать Луну, в качестве испытательного полигона для теорий о гравитации.
Нас интересует вопрос о том - медленно ли уменьшается ньютоновская гравитационная постоянная со временем из-за расширения Вселенной, как это предполагали некоторые специалисты в области физики? Окончательная проверка этих гипотез может быть получена путем наблюдения за движением Луны. Кроме того, существует возможность увидеть некоторые очень небольшие, но важные эффекты в движении Луны, которые предсказывает общая теория относительности. В принципе, метод получения научных результатов путем измерения точного расстояния до Луны прост, но на практике необходимо учитывать множество факторов.
В простейшем случае речь идет об измерении изменения расстояния от данной наблюдательной станции до Луны в течение шестичасового периода.
После того, как в течение этого периода были сделаны различные поправки на относительное движение Земли и Луны, мы получаем расстояние от станции до оси вращения Земли. Чтобы сделать это на практике, многие показания снимаются при высоко расположенной Луне, а расстояние от оси вычисляется по 24-часовой составляющей. Другая информация о расположении станции может быть получена аналогичным образом.
Основная сложность заключается в том, что движение Луны точно не известно с самого начала. Точная аналитическая теория движения Луны была разработана в течение последних 90 лет Г. У. Хиллом, Э. У. Брауном и У. Эккертом. Однако планетарные возмущения никогда не рассчитывались с достаточной точностью, чтобы обеспечить точность в шесть дюймов, необходимую для того, чтобы соответствовать ожидаемой точности лазерного дальномера. Следовательно, лучше воспользоваться преимуществами современных электронных вычислительных машин для вычисления движения Луны путем прямого численного интегрирования уравнений движения для всей Солнечной системы. Как только это сделано, рассчитанное расстояние до Луны в зависимости от времени сравнивается с расстоянием, наблюдаемым при отражении лазерного луча от ретрорефлектора. Затем вносятся поправки для получения результата. Если основная теория движения в гравитационном поле верна, то результаты должны сходиться.
Однако неясно, как в этой процедуре можно отделить информацию о Луне от информации о Земле. Можно представить, например, что какое-то неожиданное колебание во вращении Земли (или движение одной из тектонических плит) может быть интерпретировано как возмущение в движении Луны. Достаточно сказать, что существуют хорошие методы отделения лунных эффектов от геофизических эффектов. Используя данные с четырех или более наблюдательных станций в хорошо выбранных местах, можно также отделить локальные аберрации, такие как дрейф континентов, от движений Земли в целом.
Очевидно, что для оптимального использования лунного ретрорефлектора в научных целях необходим ряд наблюдательных станций по всему миру. Международное сотрудничество не только желательно, но и необходимо для полного использования этого нового астрономического инструмента. Мы рады узнать, что коллеги из Франции, СССР, Чехословакии и Японии готовятся к проведению измерений расстояния до Луны. Размещение ретрорефлекторной решетки на Луне в июле прошлого года астронавтами «Аполлона-11» привело к драматическим изменениям в способности человека измерять расстояние от Земли до Луны. Поскольку массив пережил несколько лунных ночей и дней без видимого повреждения, у нас есть основания надеяться, что он продолжит функционировать так, как задумано, обеспечивая основную точку отсчета в космосе на многие годы вперед.