Laserstråler reflekteret mellem Jorden og månen øger videnskaben

Dusinvis af gange i løbet af det sidste årti har NASA-forskere lanceret laserstråler mod en reflektor på størrelse med en paperback-roman omkring 240, 000 miles (385, 000 kilometer) væk fra Jorden. De meddelte i dag, i samarbejde med deres franske kolleger, at de modtog signal tilbage for første gang, et opmuntrende resultat, der kunne forbedre lasereksperimenter brugt til at studere universets fysik.

Reflektoren NASA-forskere sigter efter er monteret på Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), et rumfartøj, der har studeret månen fra sin bane siden 2009. En af grundene til, at ingeniører placerede reflektoren på LRO, var, at den kunne tjene som et uberørt mål for at hjælpe med at teste den reflekterende kraft af paneler, der var tilbage på månens overflade for omkring 50 år siden. Disse ældre reflektorer returnerer et svagt signal, hvilket gør det sværere at bruge dem til videnskab.

Forskere har brugt reflekser på månen siden Apollo-æraen for at lære mere om vores nærmeste nabo. Det er et ret ligetil eksperiment:Ret en lysstråle mod reflektoren, og mål den tid, det tager for lyset at komme tilbage. Årtier med denne ene måling har ført til store opdagelser.

En af de største afsløringer er, at Jorden og månen langsomt glider fra hinanden i den hastighed, som fingerneglene vokser, eller 1,5 tommer (3,8 centimeter) om året. Denne udvidelse af kløften er resultatet af gravitationsinteraktioner mellem de to legemer.

"Nu hvor vi har indsamlet data i 50 år, vi kan se tendenser, som vi ellers ikke ville have kunnet se, " sagde Erwan Mazarico, en planetarisk videnskabsmand fra NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, der koordinerede LRO-eksperimentet, der blev beskrevet den 7. august i tidsskriftet Earth, Planeter og rum.

"Laser-videnskab er et langt spil, " sagde Mazarico.

Men hvis forskerne skal fortsætte med at bruge overfladepanelerne langt ud i fremtiden, de skal finde ud af, hvorfor nogle af dem kun returnerer en tiendedel af det forventede signal.

Der er fem reflekterende paneler på månen. To blev leveret af Apollo 11 og 14 besætninger i 1969 og 1971, henholdsvis. De er hver lavet af 100 spejle, som videnskabsmænd kalder "hjørneterninger, " da de er hjørner af en glasterning; fordelen ved disse spejle er, at de kan reflektere lyset tilbage til enhver retning, det kommer fra. Et andet panel med 300 hjørneterninger blev droppet af Apollo 15-astronauter i 1973. Sovjetiske robot-rovers kaldet Lunokhod 1 og 2, som landede i 1970 og 1973, bære to ekstra reflekser, med 14 spejle hver. I fællesskab disse reflektorer udgør det sidste videnskabelige eksperiment fra Apollo-æraen.

Nogle eksperter har mistanke om, at støv kan have lagt sig på disse reflekser over tid, muligvis efter at være blevet sparket op af mikrometeoritnedslag mod månens overflade. Som resultat, støvet kunne blokere lyset i at nå spejlene og også isolere spejlene og få dem til at overophedes og blive mindre effektive. Forskere håbede at bruge LROs reflektor til at afgøre, om det er sandt. De regnede med, at hvis de fandt en uoverensstemmelse i lyset returneret fra LRO's reflektor i forhold til overfladen, de kunne bruge computermodeller til at teste, om støv, eller noget andet, er ansvarlig. Uanset årsagen, videnskabsmænd kunne så redegøre for det i deres dataanalyse.

På trods af deres første vellykkede laser-ranging eksperimenter, Mazarico og hans team har ikke afgjort støvspørgsmålet endnu. Forskerne forfiner deres teknik, så de kan indsamle flere målinger.

Kunsten at sende en fotonstråle til månen... og få den tilbage

I mellemtiden, videnskabsmænd fortsætter med at stole på overfladereflektorerne for at lære nye ting, trods det svagere signal.

Ved at måle, hvor lang tid det tager laserlys at hoppe tilbage - omkring 2,5 sekunder i gennemsnit - kan forskerne beregne afstanden mellem jordens laserstationer og månereflektorer ned til mindre end en tomme, eller et par millimeter. Det handler om tykkelsen af ​​en appelsinskal.

Udover jord-månedriften, sådanne målinger over lang tid og på tværs af flere reflektorer har afsløret, at månen har en flydende kerne. Forskere kan fortælle det ved at overvåge de mindste slingre, mens månen roterer. Men de vil vide, om der er en fast kerne inde i den væske, sagde Vishnu Viswanathan, en NASA Goddard-videnskabsmand, der studerer månens indre struktur.

"At kende til månens indre har større implikationer, der involverer månens udvikling og forklarer timingen af ​​dens magnetfelt, og hvordan den døde ud, " sagde Viswanathan.

Magnetiske målinger af måneprøver returneret af Apollo-astronauter afslørede noget, ingen havde forventet i betragtning af, hvor lille månen er:vores satellit havde et magnetfelt for milliarder af år siden. Forskere har forsøgt at finde ud af, hvad inde i månen kunne have genereret det.

Lasereksperimenter kunne hjælpe med at afsløre, om der er fast materiale i månens kerne, der ville have hjulpet med at drive det nu uddøde magnetfelt. Men for at lære mere, Forskere skal først kende afstanden mellem jordstationer og månereflektorerne med en højere grad af nøjagtighed end de nuværende få millimeter. "Nøjagtigheden af ​​denne ene måling har potentialet til at forfine vores forståelse af tyngdekraften og solsystemets udvikling, " sagde Xiaoli Sun, en Goddard planetarisk videnskabsmand, der hjalp med at designe LRO's reflektor.

Få flere fotoner til månen og tilbage og tage bedre højde for dem, der går tabt på grund af støv, for eksempel, er et par måder at hjælpe med at forbedre præcisionen. Men det er en svær opgave.

Overvej overfladepanelerne. Forskere skal først udpege den præcise placering af hver enkelt, som konstant ændrer sig med månens kredsløb. Derefter, laserfotonerne skal rejse to gange gennem jordens tykke atmosfære, som har en tendens til at sprede dem.

Dermed, hvad der begynder som en lysstråle, der er omkring 10 fod, eller et par meter, bred på jorden kan sprede sig til mere end en mile, eller to kilometer, når den når månens overflade, og meget bredere, når den hopper tilbage. Det svarer til en chance på én ud af 25 millioner for, at en foton, der sendes fra Jorden, vil nå Apollo 11-reflektoren. For de få fotoner, der når at nå månen, der er en endnu mindre chance, én ud af 250 mio. at de kommer tilbage, ifølge nogle skøn.

Hvis disse odds virker skræmmende, at nå LRO's reflektor er endnu mere udfordrende. For en, det er en tiendedel på størrelse med de mindre Apollo 11 og 14 paneler, med kun 12 hjørnekubiske spejle. Den er også knyttet til et hurtigt bevægende mål på størrelse med en kompakt bil, der er 70 gange længere væk fra os, end Miami er fra Seattle. Vejret ved laserstationen påvirker lyssignalet, også, ligesom Solens indstilling, månen og jorden.

Det er grunden til, at trods adskillige forsøg i løbet af det sidste årti, havde NASA Goddard-forskere ikke været i stand til at nå LRO's reflektor, indtil deres samarbejde med franske forskere.

Deres succes indtil videre er baseret på at bruge avanceret teknologi udviklet af Géoazur-teamet ved Université Côte d'Azur til en laserstation i Grasse, Frankrig, der kan pulsere en infrarød bølgelængde af lys ved LRO. En fordel ved at bruge infrarødt lys er, at det trænger bedre ind i Jordens atmosfære end den synlige grønne bølgelængde af lys, som videnskabsmænd traditionelt har brugt.

Men selv med infrarødt lys, Grasse-teleskopet modtog kun omkring 200 fotoner tilbage ud af titusindvis af pulser castet ved LRO i løbet af nogle få datoer i 2018 og 2019, Mazarico og hans team rapporterer i deres papir.

Det virker måske ikke af meget, men selv nogle få fotoner over tid kunne hjælpe med at besvare spørgsmålet om overfladereflektorstøv. En vellykket laserstråleretur viser også løftet om at bruge infrarød laser til præcis overvågning af jordens og månens baner, og at bruge mange små reflektorer – måske installeret på NASAs kommercielle månelandere – til at gøre det. Det er grunden til, at nogle videnskabsmænd gerne vil se nye og forbedrede reflektorer sendt til flere områder af månen, som NASA planlægger at gøre. Andre opfordrer til at få flere faciliteter rundt om på kloden udstyret med infrarøde lasere, der kan pulsere til månen fra forskellige vinkler, som yderligere kan forbedre præcisionen af ​​afstandsmålinger. Nye tilgange til laserafstand som disse kan sikre, at arven fra disse grundlæggende undersøgelser vil fortsætte, siger videnskabsmænd.