月レーザー測距実験

月レーザー測距実験（つきレーザーそくきょじっけん、Lunar Laser Ranging experiment）は、LIDARを用いた地球と月の距離の測定である。地球上のレーザーで、アポロ計画により月面に設置された再帰反射器（コーナーキューブ）を狙い、反射した光が戻ってくるまでの時間を測定する。 1962年、マサチューセッツ工科大学のチームが初めて反射レーザーのミリ秒パルスを観測することに成功した。同様の測定は、クリミア天体物理天文台のチームにおいても、Qスイッチのルビーレーザーを用いて同年になされている。1969年7月21日に、アポロ11号の乗組員によって再帰反射器アレーが月面に設置されると精度が更に向上した。アポロ14号とアポロ15号では、さらに2つの再帰反射器アレーが設置され、実験に貢献した。月までの距離の測定は、リック天文台、アリゾナ州の空軍ケンブリッジ研究所月測距観測所、フランスのピク・デュ・ミディ天文台、東京天文台、テキサス州のマクドナルド天文台によって初めて報告された。 ソビエト連邦のルノホート1号とルノホート2号によっても同様のアレーが運ばれた。ルノホート1号からの反射シグナルは当初は受信されたが、1971年以降は、2010年4月にカリフォルニア大学のチームがルナー・リコネサンス・オービターの画像からアレーを再発見するまで、検出されなくなった。ルノホート2号のアレーは、地球にシグナルを返し続けた。ルノホートのアレーは、アポロ計画のものと同じように、太陽からの直射光を受けて性能が落ちていった。 アポロ15号のアレーは、先の2度のアポロ計画で設置されたものと比べて3倍の大きさを持つ。その大きさにより、最初の25年間で行われた実験のうち、4分の3の標的となってきた。それ以降の技術の進歩によって、より小さなアレーが用いられるようになった。 月までの距離は、次の式を用いて概算値を求めることができる。 距離 = (光速 × 往復の時間) / 2 実際は、往復で約2.5秒は、地球と月の相対運動、地球の自転、月の秤動、気象、極運動、地球の大気による伝播遅延、地殻運動や潮汐作用による観測局の運動、大気中の経路による光速の差、相対性理論による効果等の影響を受ける。それにも拘らず、地球と月の間の距離は、過去35年間で最も高い精度で求められた。様々な理由により、観測毎の距離は異なるが、平均値は約38万4,467kmであった。 月の表面では、ビームはわずか約6.5kmの幅であり、これは3km離れたところから動く10セント硬貨をライフル銃で撃つようなものだと喩えられる。反射光は裸眼では見えないほど弱く、数秒毎に反射器に向けて発射される1017個の光子のうち地球に戻ってくるのは、良い条件の時でわずか1個である。レーザーは高度にモノクロームであるため、この光子はレーザーを反射したものだと判断できる。これは、史上最も正確な距離測定の1つであり、ロサンゼルスとニューヨークの間の距離を100分の1インチ精度で測定することに匹敵する。2002年時点で、反射器の性能は年を経る事に悪くなっているが、月と地球の間の距離をmm単位の精確さで測定するための研究が続けられている。 長期間の実験による発見は次のとおり。 月は、年間3.8cmの速さで、地球かららせん状に遠ざかっている。この速度は、異常に速いと言われる。 月は、恐らく半径の20%程度の液体の核を持つ。 万有引力理論は非常に安定している。この実験では、1969年以降、ニュートンの重力定数Gの上限を、1011分の1引き上げただけである。 ノルドベッド効果は、高い確度で排除され、強い等価原理の妥当性が示唆された。 アインシュタインの一般相対性理論は、月の軌道を高い精度で予測した。 月面の反射器の存在は、アポロ計画陰謀論への反証として利用されてきた。例えば、APOLLO Collaborationの光子パルスのパターンは、既知の着陸地点の付近に反射器が存在することと整合している。 アポロ14号の反射器 APOLLO Collaborationの光子パルスの帰還時間 ドイツにある月レーザー測距実験の地上局 レーザー施設 ^ Bender, P. L., The Lunar Laser Ranging Experiment, UCSD ^ McDonald, Kim (2010年4月26日). “UC San Diego Physicists Locate Long Lost Soviet Reflector on Moon”. UCSD. http://ucsdnews.ucsd.edu/newsrel/science/04-26SovietReflector.asp 2010年4月27日閲覧。  ^ a b c d James G. Williams and Jean O. Dickey. “Lunar Geophysics, Geodesy, and Dynamics (PDF)”. ilrs.gsfc.nasa.gov. 2008年5月4日閲覧。 13th International Workshop on Laser Ranging, October 7-11, 2002, Washington, D. C. ^ a b c “It’s Not Just The Astronauts That Are Getting Older”. Universe Today (2010年3月10日). 2012年8月24日閲覧。 ^ Seeber, Gunter. Satellite Geodesy 2nd Edition. de Gruyter, 2003, p. 439 ^ a b Fred Espenek (1994年8月). “NASA - Accuracy of Eclipse Predictions”. eclipse.gsfc.nasa.gov. 2008年5月4日閲覧。 ^ “Apollo 11 Experiment Still Going Strong after 35 Years”. www.jpl.nasa.gov (2004年7月20日). 2008年5月4日閲覧。 ^ http://curious.astro.cornell.edu/question.php?number=124 Is the Moon moving away from the Earth? ^ C.D. Murray & S.F. Dermott (1999). Solar System Dynamics. Cambridge University Press. p. 184.  ^ Dickinson, Terence (1993). From the Big Bang to Planet X. Camden East, Ontario: Camden House. pp. 79–81. ISBN 0-921820-71-2.  ^ Bills, B.G., and Ray, R.D. (1999), “Lunar Orbital Evolution: A Synthesis of Recent Results”, Geophysical Research Letters 26 (19): 3045-3048, Bibcode 1999GeoRL..26.3045B, doi:10.1029/1999GL008348, http://www.agu.org/pubs/crossref/1999/1999GL008348.shtml  ^ Adelberger, E.G., Heckel, B.R., Smith, G., Su, Y., and Swanson, H.E. (1990-Sep-20), “Eotvos experiments, lunar ranging and the strong equivalence principle”, Nature 347 (6290): 261-263, Bibcode 1990Natur.347..261A, doi:10.1038/347261a0, http://www.nature.com/nature/journal/v347/n6290/abs/347261a0.html  ^ Williams, J.G., Newhall, X.X., and Dickey, J.O. (1996), “Relativity parameters determined from lunar laser ranging”, Phys. Rev. D 53: 6730-6739, Bibcode 1996PhRvD..53.6730W, doi:10.1103/PhysRevD.53.6730, http://prola.aps.org/abstract/PRD/v53/p6730_1  Apollo 14 Laser Ranging Retroreflector Experiment History of Laser Ranging Lunar Retroreflectors History and Position Station de Telemetrie Laser-Lune in Grasse|Grasse, France 2002 article about "UW researcher plans project to pin down moon's distance from Earth" NASA: What Neil & Buzz Left on the Moon CNN: Apollo 11 Experiment Still Returning Results after 30 Years