Ученые NASA придумали, как многократно повысить точность лазерной локации Луны. Для этого в ходе грядущих пилотируемых и автоматических миссий на ее поверхность надо отправить новые уголковые отражатели, на которые нужно светить с Земли мощными лазерами. Это позволит больше узнать о внутреннем строении Луны и попытаться поймать неуловимые ранее реликтовые гравитационные волны. Об этом RTVI рассказал ведущий научный сотрудник Лаборатории реактивного движения NASA Вячеслав Турышев.
На борту советских луноходов и в местах посадок американских пилотируемых миссий на Луне в 1970-е годы были оставлены специальные научные приборы — так называемые панели лазерных уголковых отражателей, способных возвращать отправленный на них световой луч туда, откуда он пришел. Это позволило, отправляя с Земли на Луну импульсные сигналы лазера с высокой точностью определять расстояние до Луны и его изменения. В настоящее время при лазерной локации с американской обсерватории на Луну посылаются импульсы мощностью 1 Вт на длине волны 532 нанометра. При каждом импульсе к Луне отправляется 1018 фотонов, однако на подходе к Луне луч расширяется до 3 километров, отражается от панелей и возвращается на Землю, где регистрируется время прохождение до Луны и обратно (около 2.5 секунды). Из-за различных потерь наблюдатели на Земле регистрируют в среднем лишь 1 отраженный фотон на каждые сто отправленных импульсов.
Имеющиеся на Луне уголковые отражатели имеют размеры порядка 1 кв. м, состоят из десятков отдельных элементов, расположенных под углом к лучу. Из-за этого одни лучи отражаются в сторону Земли чуть раньше, другие — чуть позже. Этот фактор со множеством других — приливы, выпадение осадков на Земле, температурное расширение отражателей при смене лунного дня и ночи, эффекты теории относительности и другие — определяет точность определения расстояния до Луны, которая на сегодняшний день составляет порядка 5 мм. Эта точность наряду с данными сейсмометров позволила выявить внутреннее строение Луны — наличие у нее жидкого (диаметром в 240 км) и твердого ядра (диаметром в 90 км), их размер и толщину мантии.
Ученые NASA под руководством Вячеслава Турышева намерены значительно повысить точность лазерной локации, отправив на Луну новые уголковые отражатели размером 10 на 10 сантиметров, которые будут состоять всего из одного элемента.
«Почему нужны новые уголки? Когда мы работаем с панелью уголковых отражателей из 300 штук (как у «Аполлона-15»), мы не знаем, какой из этих уголков реально отразил сигнал, что приводит к ошибке по времени возвращения сигнала на Землю, — пояснил Турышев. — У единичного уголка такой ошибки нет, поэтому для увеличения точности лазерной локации нам выгодно использовать один уголок, а не их панель».
К моменту отправки новых отражателей на Луну ученые планируют завершить строительство новой станции лазерной локации Луны в Калифорнии, которая будет использовать лазер большой мощности — 1 кВт. «Новый лазер будет работать не в импульсном, а в непрерывном режиме, это позволит перейти от однофотонной регистрации к регистрации порядка 6 тыс. фотонов в секунду. Это огромное количество фотонов, которое совершенно меняет характеристики работы с такими экспериментами», — говорит Турышев.
При такой статистике основной вклад в погрешность будет вносить атмосфера Земли, и точность измерения расстояния уменьшится до 0,1 мм. «А если мы в течение 10-15 минут можем перенацелиться на другой уголок на Луне на расстоянии до 2 тыс. километров и вычесть два абсолютных измерения дальности друг из друга, мы можем сформировать новые дифференциальные измерения вращения Луны, с точностью до 30 микронов», — пояснил астрофизик.
Такая точность позволит решить две фундаментальные задачи. Во-первых — лучше понять структуру Луны и ее внутреннюю динамику, доведя точность оценки диаметра твердого и жидкого ядер Луны до 5 км.
Вторая задача — фиксация гравитационных волн, за первое обнаружение которых с помощью наземного интерферометра LIGO в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
Новые эксперименты позволят фиксировать гравволны в микрогерцовом диапазоне, недоступном наблюдениям на LIGO. «Мы предполагаем, что система Земля-Луна, двигаясь в гравитационно-волновом фоне из волн космологического характера, оставшихся от Большого взрыва (реликтовых), и волн от двойных источников (сверхмассивных черных дыр) до момента их слияния, взаимодействует с этим фоном, теряя свою энергию, что приводит к расширению орбиты Луны. Несмотря на то, что такая потеря и орбитальное расширение очень малы, новая станция лазерной локации будет способна зарегистрировать такой сигнал в течении первых двух лет работы, — пояснил Турышев. — Если орбита Луны будет увеличиваться, то через 2-3 года после начала локации мы можем засечь присутствие стохастического гравитационно-волнового фона».
Отправлять уголки планируется, в том числе, и во время миссии «Артемида-3», в рамках которой в 2027 году впервые после полетов «Аполлонов» планируется высадка на Луну американских астронавтов или непилотируемых миссий. «Сейчас на Луну планируется отправка многих посадочных модулей по программе Commercial Lunar Payload Services (CLPS). Наш уголок идеален для беспилотной доставки. Наша цель — установить как можно больше уголков!», — пояснил Турышев RTVI. — Пилотируемая доставка позволит установить уголок прямо на поверхность Луны и точнее его ориентировать на Землю… При беспилотной — нужно использовать пару уголков, чтобы минимизировать тепловое расширение посадочного аппарата и уменьшить ошибки ориентации».
«Покажи мне планету, и я скажу». Астрофизик NASA рассчитал, где искать жизнь во Вселенной
Павел Котляр
