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 7 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: 

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  giữa tâm Trái Đất và tâm Mặt Trăng.

Ở bề mặt của Mặt trăng, chùm sáng rộng khoảng    và các nhà khoa học ví nhiệm vụ nhắm chùm tia sáng này giống cầm một khẩu súng trường nhằm vào đồng xu cách  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 .  

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.

Các kết quả 
Dữ liệu đo khoảng cách đến mặt trăng bằng tia laser có sẵn từ Trung tâm phân tích mặt trăng quan sát Paris, và các trạm hoạt động. Một số phát hiện của thí nghiệm dài hạn này là:

 Mặt trăng đang quay tròn xa khỏi Trái Đất với tỷ lệ cm/năm.  Tỷ lệ này đã được mô tả là cao bất thường. 
 Mặt trăng có thể có lõi chất lỏng chiếm khoảng 20% bán kính của Mặt trăng.  
 Lực hấp dẫn phổ quát rất ổn định. Các thí nghiệm đã hạn chế sự thay đổi hằng số hấp dẫn G của Newton thành hệ số  mỗi năm. 
 Mặt Trăng có các dao động bình động vật lý tự do, có một hoặc nhiều cơ chế kích thích.
 Tiêu tán thủy triều của Mặt Trăng phụ thuộc vào tần suất thủy triều. 
 Khả năng của bất kỳ hiệu ứng Nordtvedt nào (gia tốc vi sai của Mặt trăng và Trái Đất đối với Mặt trời gây ra bởi mức độ nén khác nhau của chúng) đã được loại trừ với độ chính xác cao, ủng hộ mạnh mẽ tính hợp lệ của nguyên lý tương đương mạnh.
 Thuyết hấp dẫn của Einstein (lý thuyết tương đối tổng quát) dự đoán quỹ đạo của Mặt trăng nằm trong độ chính xác của các phép đo khác nhau của laser.  
 Máy đo tự do có vai trò chính trong việc giải thích vật lý chính xác các hiệu ứng tương đối tính trong hệ Mặt trăng-Mặt trăng được quan sát bằng kỹ thuật LLR. 
 Khoảng cách đến Mặt trăng có thể được đo với độ chính xác đến từng milimet.

Bộ sưu tập hình ảnh

Xem thêm 

 Hoạt động trên phạm vi laser của Đài quan sát điểm Apache 
 Gói thí nghiệm bề mặt mặt trăng Apollo 
 Tom Murphy (nhà vật lý) (điều tra viên chính của thí nghiệm phản xạ của Apollo) 
 Carroll Alley (điều tra viên chính trước đây của thí nghiệm phản xạ của Apollo) 
 Tương tác Trái Đất - Mặt trăng - Trái Đất 
 Lidar 
 Khoảng cách âm lịch (thiên văn học) 
 Chương trình âm lịch 
 Vệ tinh đo tia laser 
 Không gian trắc địa 
 Bằng chứng của bên thứ ba cho cuộc đổ bộ của Mặt trăng Apollo 
 Danh sách bộ thu hồi trên Mặt trăng

Tham khảo

Liên kết ngoài 
 "Lý thuyết và mô hình cho thế hệ mới của dữ liệu dao động laser mặt trăng" của Sergei Kopeikin 
 Thí nghiệm Apollo 15 - Máy thu hồi phạm vi laser của Viện Mặt trăng và Hành tinh 
 "Lịch sử của Laser Ranging và MLRS" của Đại học Texas tại Austin, Trung tâm Nghiên cứu Vũ trụ 
 "Retroreflector Lunar" của Tom Murphy 
 Trạm de Télémétrie Laser-Lune  ở Grasse, Pháp 
 Rangar Laser Ranging từ Dịch vụ Rang Laser Quốc tế 
 "Nhà nghiên cứu của UW có kế hoạch dự án xác định khoảng cách của mặt trăng từ Trái Đất" của Vince Stricherz, UW Hôm nay, 14 tháng 1 năm 2002 
 "Những gì Neil & Buzz để lại trên mặt trăng" của Science @ NASA, ngày 20 tháng 7 năm 2004 
 "Thí nghiệm Apollo 11 vẫn trả lại kết quả" của Robin Lloyd, CNN, ngày 21 tháng 7 năm 1999

Khoa học Mặt Trăng