Thí nghiệm đo khoảng cách đến Mặt Trăng bằng tia laser

Thí nghiệm đo khoảng cách đến mặt trăng bằng tia laser  hoặc   hệ thống phản chiếu Apollo đo khoảng cách giữa các bề mặt Trái đất và Mặt trăng bằng cách sử dụng các tia laser. Các tia laser được phóng ra tại đài thiên văn trên Trái đất sẽ được phóng lên hệ thống phản chiếu trên mặt trăng được đặt trong chương trình Apollo (11, 14, và 15), và cả hai nhiệm vụ Lunokhod. Các xung ánh sáng laser được truyền và phản xạ trở lại Trái đất và thời gian khứ hồi được ghi nhận. Khoảng cách mặt trăng do đó được tính từ giá trị này.

Tổng quan

Các thử nghiệm thành công đầu tiên được thực hiện vào năm 1962 khi một nhóm từ Viện Công nghệ Massachusetts đã thành công trong việc quan sát các xung laser phản xạ từ bề mặt Mặt trăng bằng cách sử dụng tia laser có độ dài xung một phần nghìn giây. Các phép đo tương tự đã được tiến hành sau đó cùng năm bởi một nhóm Liên Xô tại Đài quan sát vật lý thiên văn Crimean sử dụng tia laser ruby Q- switching. Kết quả chính xác hơn đã được ghi nhận sau quá trình cài đặt của một bộ thu hồi vào ngày 21 tháng 07 năm 1969, bởi phi hành đoàn của tàu Apollo 11, và hai bộ thu hồi trái của Apollo 14 và Apollo 15 cũng đã góp phần làm thí nghiệm trở nên chính xác hơn. Các phép đo khoảng cách đến mặt trăng bằng tia laser mặt trăng thành công là do các bộ thu hồi được báo cáo đầu tiên bởi 3.1 m kính viễn vọng tại Đài thiên văn Lick, Phòng thí nghiệm của Không quân Cambridge thuộc Phòng thí nghiệm mặt trăng nằm ở Arizona, Đài thiên văn Pic du Midi ở Pháp, Đài thiên văn Tokyo và Đài thiên văn McDonald ở Texas.
Các rover không người lái Lunokhod 1 và Lunokhod 2  của Liên Xô mang các mảng nhỏ hơn. Tín hiệu phản ánh ban đầu được nhận từ Lunokhod 1, nhưng không có tín hiệu trở lại đã được phát hiện sau năm 1971 cho đến khi một nhóm nghiên cứu thuộc Đại học California phát hiện lại mảng trong tháng 4 năm 2010 sử dụng hình ảnh từ Vệ tinh trinh sát Mặt trăng của NASA. Mảng ' Lunokhod 2 tiếp tục mang tín hiệu về Trái đất. Các mảng Lunokhod bị giảm hiệu suất trong ánh sáng mặt trời trực tiếp, một yếu tố được xem xét trong vị trí phản xạ trong các nhiệm vụ Apollo.
Mảng Apollo 15 có kích thước gấp ba lần các mảng còn lại của hai nhiệm vụ Apollo trước đó. Kích thước của nó khiến nó trở thành mục tiêu của 3/4 số đo mẫu được thực hiện trong 25 năm đầu tiên của thí nghiệm. Những cải tiến trong công nghệ kể từ đó đã dẫn đến việc sử dụng nhiều hơn các mảng nhỏ hơn, bởi các trang web như Đài quan sát Côte túizur ở Grasse, Pháp; và Hoạt động trên phạm vi laser của Đài quan sát điểm Apache (APOLLO) tại Đài thiên văn Apache Point ở New Mexico.

Nguyên tắc

Khoảng cách đến Mặt trăng được tính xấp xỉ bằng phương trình: khoảng cách = (tốc độ ánh sáng × thời gian phản xạ) / 2
Để tính toán khoảng cách mặt trăng một cách chính xác, nhiều yếu tố phải được xem xét ngoài thời gian khứ hồi khoảng 2,5 giây. Những yếu tố này bao gồm vị trí của Mặt trăng trên bầu trời, chuyển động tương đối của Trái đất và Mặt trăng, vòng quay của Trái đất, hiệu chỉnh mặt trăng, chuyển động cực, thời tiết, vận tốc ánh sáng trong các phần khác nhau của không khí, độ trễ lan truyền trong khí quyển Trái đất, vị trí của trạm quan sát và chuyển động của nó do chuyển động của vỏ và thủy triều, và các hiệu ứng tương đối tính. Khoảng cách liên tục thay đổi vì một số lý do, nhưng trung bình 385.000,6 km (239.228,3 mi) giữa tâm Trái Đất và tâm Mặt Trăng.
Ở bề mặt của Mặt trăng, chùm sáng rộng khoảng 6,5 kilômét (4,0 mi)    và các nhà khoa học ví nhiệm vụ nhắm chùm tia sáng này giống cầm một khẩu súng trường nhằm vào đồng xu cách 3 kilômét (1,9 mi) đang di chuyển. Ánh sáng phản xạ quá yếu để nhìn bằng mắt thường. Trong số 10 photon nhắm vào gương phản xạ, chỉ có một được nhận lại trên Trái đất, ngay cả trong điều kiện tốt. Chúng có thể được xác định là có nguồn gốc từ laser vì laser rất đơn sắc. Đây là một trong những phép đo khoảng cách chính xác nhất từng được thực hiện, và tương đương chính xác để xác định khoảng cách giữa Los Angeles và New York trong vòng 0,25 mm (0,01 in).  
Phản xạ MoonLIGHT sắp tới, sẽ được thực hiện vào năm 2019 bởi tàu tư nhân MX-1E, được thiết kế để tăng độ chính xác đo 100 lần so với các hệ thống hiện có.