Установка на Луне отражателей для точного измерения расстояния до Луны была одной из научных целей первой лунной миссии. Некоторые уверены, что измерять расстояние до Луны можно и без специальных отражателей. А другие убеждены, что отражатели были установлены автоматической станцией без участия человека.
С теми, кто отказывается верить в пилотируемые полеты на Луну я спорить не буду. Это бесполезно. Для тех же, кто хочет расширить свои познания в истории космонавтики, я даю перевод статьи в научном журнале Science от 18 декабря 1970 года. Конспирологи могут не читать.
"Среди научных приборов, установленных на Луне Нилом Армстронгом и Баззом Олдрином в июле 1969 года, был массив из 100 ретрорефлекторов из плавленого кварца, предназначенных для возвращения световых импульсов от земных лазеров в рамках эксперимента по измерению дальности, который является единственной частью научного пакета "Аполлона-11", все еще работающей. Световые сигналы от короткоимпульсных лазеров, направленных на лунный рефлектор, регулярно принимались телескопами в течение последнего года. Отраженные сигналы настолько слабы, что детекторы, прикрепленные к телескопам, срабатывают от одного фотоэлектрона, но они достаточно точны, чтобы расстояние до Луны можно было надежно измерить с точностью до 30 сантиметров при нынешнем уровне калибровки. Анализ закономерностей, обнаруженных в полученных данных, заметно улучшает знания об орбите Луны и о местоположении телескопов и рефлекторов. В дальнейшем ученые планируют использовать эту информацию для анализа некоторых особенностей движения Земли, измерения дрейфа континентов и проверки гравитационных теорий.
Научную группу, разработавшую лунный рефлектор, возглавляет физик Кэрролл Аллей из Университета Мэриленда, который любит подчеркивать, что эксперимент имеет кумулятивный характер в своих результатах. Поэтому он считает, что использование отражателя французской сборки, недавно установленного в Море Дождей советской АМС "Луна-17", повысит ценность данных, полученных с помощью нынешнего отражателя, расположенного в Море Спокойствия. На борту "Аполлона-14", который должен быть запущен в конце следующего месяца, находится еще один отражатель; если он будет успешно размещен в районе Фра-Мауро (в статье - Fra Muro), положения трех отражателей образуют на поверхности Луны большой треугольник, обеспечивая тем самым хорошее расположение для измерения вращения Луны методом дифференциальной дальнометрии.
Первые сигналы от рефлектора "Аполлона-11" были приняты 305-см телескопом Ликской обсерватории в Калифорнии в августе 1969 года. С тех пор команда Lunar Ranging Experiment (LURE) провела несколько сотен определений дальности с помощью 272-см телескопа в обсерватории Макдональд в Техасе. В Кембриджской исследовательской лаборатории ВВС работает независимая группа лунных дальномеров под руководством Дональда Экхарта, которая принимала сигналы от рефлектора с помощью 152-см телескопа с металлическим зеркалом в Аризоне. Французская наземная станция в Пиренеях получила эхо-сигналы от американского рефлектора, а российская группа также провела наблюдения. В ближайшем будущем ожидается начало работы японской станции. Количество станций наблюдения имеет большое значение, поскольку многие из ожидаемых результатов зависят от сравнения наблюдений из нескольких мест.
Компоненты лазерного дальномера
Основным элементом французского и американского лунных комплектов является "уголковый отражатель", представляющий собой усеченный стеклянный куб, обладающий свойством возвращать падающий свет из широкого диапазона направлений параллельно падающему лучу. Импульс света с Земли распространяется из-за изменений в атмосферном коэффициенте преломления, формируя изображение в несколько километров в поперечнике, когда он попадает на Луну. Кривизна и неровность лунной поверхности приводят к тому, что часть импульса отражается раньше, чем остальная часть, а также к тому, что общее количество отраженного света возвращается не полностью. Угловые отражатели, однако, увеличивают интенсивность возвращающегося луча по сравнению с отраженным от лунной поверхности; из-за своего небольшого размера они возвращают резкий импульс, подходящий для точного определения времени.
Используются отражатели как с покрытием, так и без него, причем посеребренные задние поверхности отражателей с покрытием обеспечивают гораздо более высокое полное отражение в центре диаграммы направленности возвращаемого света. Французский пакет, доставленный СССР, содержал 14 отражателей с покрытием, в то время как в американском эксперименте используется 100 отражателей без покрытия. Недостатком отражателей с покрытием является то, что их посеребренная поверхность нагревается под солнечными лучами, создавая тепловые градиенты, которые вызывают искажения, поэтому отражатель можно использовать только во время лунной ночи. Поскольку многие научно значимые результаты извлекаются из данных дальности с помощью Фурье-анализа, американская команда посчитала, что недостающие сигналы будут сильно искажать некоторые частотные компоненты данных, и поэтому выбрала менее эффективную, но постоянно используемую конструкцию отражателя без покрытия.
Наземные станции для эксперимента по лазерной дальнометрии состоят из телескопа, источника лазерного излучения, которое направляется на отражатель-мишень путем прохождения через телескоп в обратном направлении (рис. 1), и синхронизирующего оборудования.
Лазер, используемый в настоящее время командой LURE, представляет собой четырехступенчатый лазер на рубиновом кристалле с модуляцией добротности, который передает около 4 джоулей или 1019 фотонов, выстреливая 4-наносекундный импульс каждые 3 секунды во время работы. Телескоп получает отраженный импульс около 10 или 20 фотонов, но внутренние отражения и другие потери внутри прибора уменьшают свет в 10 раз, так что фотоумножитель, работающий с эффективностью около 7 процентов, производит, как правило, один фотоэлектрон каждые десять выстрелов. Фильтры с полосой пропускания 0,7 А отсекают свет, который не попадает на частоту лазера 6943 А, а затвор диапазона открывается на заранее выбранный интервал времени, привязанный к ожидаемому времени прибытия, так что детектор активен всего несколько микросекунд.
Поэтому время прибытия возвращающегося сигнала или дальность до Луны должны быть известны с точностью менее километра; в противном случае сигнал будет пропущен. Предсказания дальности LURE основаны на новой эфемериде, вычисленной Дж. Д. Малхолландом из Лаборатории реактивного движения в Калифорнии, которая, по-видимому, на порядок точнее, чем те, что были приведены в предыдущих таблицах положения Луны. Текущая эфемерида альманаха - даже с учетом наилучших доступных поправок - имеет погрешности до 2 км, что, по-видимому, частично объясняется пренебрежением планетарными возмущениями в аналитических теориях движения Луны. Эфемериды Малхолланда вычисляются путем прямого численного интегрирования уравнений движения; в своей компьютерной программе он использует эмпирические представления для эффектов малоизученных процессов, таких как приливная диссипация, и выбирает начальные условия для интегрирования из аналитической теории. Полученные предсказания, похоже, имеют среднюю ошибку дальности всего в несколько сотен метров. Время прохождения светового импульса в оба конца до Луны составляет около 2,5 секунды.
Этот период делится на серию 50-наносекундных интервалов частотным источником в обсерватории Макдональд. Результаты 50 последовательных лазерных импульсов накапливаются в этих интервалах, чтобы отличить реальные возвращения от фонового света. Аналоговая система обеспечивает верньерную шкалу для хронометрирования исходящего импульса и приходящего сигнала одиночных фотоэлектронов в пределах 50-наносекундных интервалов. Точность схем синхронизации кажется достаточно хорошей, чтобы экспериментаторы чувствовали, что они могут спуститься до 0,1-наносекундной синхронизации, когда будет доступен лазер с более короткой длиной импульса.
Делаются поправки на атмосферные задержки, хотя, по сути, все, что требуется, - это точное измерение атмосферного давления в месте установки телескопа. Ранее считалось, что поправки могут быть более сложными. Однако теперь команда LURE считает, что может делать поправки на атмосферные задержки с точностью менее 0,1 наносекунды.
Абсолютная точность, полученная с помощью системы определения дальности, зависит от часов, используемых в системе синхронизации. В системе LURE используются четыре прибора, которые постоянно сравниваются друг с другом. Это кристаллический осциллятор и атомные часы, установленные в Техасе, привязка к низкочастотному сигналу WWV Национального бюро стандартов и навигационный временной сигнал Loran C ВМС.
Применение лазерной дальнометрии в работе
Возможно, самым важным результатом эксперимента по лазерной дальнометрии на сегодняшний день является демонстрация того, что система может работать на предсказанном уровне точности или близко к нему, несмотря на свою сложность. При нынешней точности калибровки группа LURE регулярно измеряет временную задержку лазерного сигнала с точностью до 2 наносекунд. Это означает погрешность в 30 см в одну сторону, если использовать стандартное значение скорости света; поскольку астрономические и геофизические расстояния обычно измеряются с помощью шкалы длины, основанной на времени прохождения света, погрешности в скорости света не учитываются.
Хотя анализ данных о лунном диапазоне только начинается, некоторые результаты уже получены. Например, в данных была замечена систематическая закономерность, которая, по мнению команды LURE, предполагает поправки порядка 100 метров в настоящих цифрах для средних расстояний и эксцентриситета орбиты Луны. Эти поправки в орбитальных параметрах означают коррекцию массы системы Земля-Луна. Предварительная проверка положения телескопа Макдональда также была проведена с помощью этих данных, и результаты, похоже, согласуются с координатами, найденными с помощью спутниковой геодезии.
Научные цели программы лазерной дальнометрии включают в себя лучшее понимание трех различных видов явлений, начиная с движения Земли и Луны вокруг друг друга. По мере подгонки численных интегралов, используемых для предсказания эфемерид, к данным наблюдений можно ожидать дополнительных улучшений в знаниях о движении этой системы. Команда LURE также ожидает улучшения точности определения местоположения телескопов и рефлекторов на коротких расстояниях, что приведет к уточнению систем геоцентрических и селеноцентрических координат и, таким образом, в конечном итоге уменьшит существенный источник ошибок для всей наземной астрономии.
Второй класс явлений, для которых команда LURE ожидает получить более точную информацию с помощью лазерной дальнометрии, включает движения Земли и Луны вокруг их соответствующих центров масс. Изучение физических либраций - колебаний Луны из-за ее формы и гравитационного притяжения к Земле - даст информацию о моментах инерции Луны и, следовательно, о распределении массы внутри нее. На Земле вариации продолжительности дня потенциально могут быть измерены гораздо более точно с помощью метода дальнометрии, чем с помощью нынешнего метода фотографической зенитной трубы. Более тщательные наблюдения за колебаниями периода вращения могут помочь ученым понять их причину, которая в настоящее время неизвестна....
Известно, что движения механического полюса Земли включают в себя примерно круговое движение с годовым периодом и некоторые колебания, или чандлеровские колебания, с периодом 14 месяцев. Колебания Чандлера, по-видимому, затухают, а затем, по-видимому, возобновляются, возможно, в результате землетрясений. Данные лазерной дальнометрии должны позволить повысить точность наблюдений обоих полярных движений в 10 раз.
Континентальный дрейф и гравитационные теории входят в третий класс явлений, о которых команда LURE надеется, что их наблюдения дадут значительную новую информацию. Хотя геологические данные, полученные в ходе программы глубоководного бурения (Science, 30 октября 1970 г., стр. 520-21), позволили установить среднюю скорость дрейфа некоторых основных плит земной коры в прошлом, лазерная дальнометрия может обеспечить подтверждение этого движения в режиме реального времени. Возможно, с его помощью удастся установить, является ли спрединг морского дна непрерывным или эпизодическим, и, следовательно, получить некоторые данные о механизме действия.
Классические эксперименты по общей теории относительности Эйнштейна дают мало информации о нелинейных членах тензора Римана высшего порядка, но в течение нескольких лет эксперимент с лазерным дальномером может дать оценки этих коэффициентов. Лазерная дальнометрия на Луне, которая была впервые предложена в исследовательской лаборатории Роберта Дика в Принстонском университете, также может быть способна провести различие между теорией Эйнштейна и гравитационной теорией Бранса-Дика, если другие тесты, такие как недавние данные с Mariner 6 и 7, которые, кажется, поддерживают идеи Эйнштейна, не решат этот вопрос.
Будущие усовершенствования лазерной системы определения дальности, такие как увеличение массива отражателей, запланированное для "Аполлона-15", и доступность очень короткоимпульсных лазеров с лучшим качеством луча, должны увеличить количество отраженного света, что позволит меньшим телескопам наблюдать сигналы, и еще больше уменьшить неопределенность дальности. Возможно, скоро расстояние до Луны будет измеряться точнее, чем большинство расстояний на Земле." Автор - Allen L. Hammond
А первая публикация была в октябре 1969 года в том же журнале. Абстракт:
"Аннотация. 1 августа между 10:15 и 12:50 по всемирному времени с помощью 120-дюймового (304 см) телескопа Ликской обсерватории и лазера, работающего на 6943 ангстрем, были успешно обнаружены ответные сигналы от оптического ретрорефлектора, установленного на Луне астронавтами "Аполлона-11". После первого обнаружения обратного сигнала он продолжал появляться с ожидаемой временной задержкой до конца ночи. Наблюдаемый диапазон находится в отличном согласии с предсказанной эфемеридой. Передавая от 7 до 8 джоулей на импульс, мы обнаружили, что каждый обратный сигнал в среднем содержит более одного фотоэлектрона. Это хорошо согласуется с расчетами ожидаемого уровня сигнала."
