在地球和月球之间反射的地球激光束促进了科学发展

2022-01-12 15:08:00习菡融导读在过去的十年中，宇航局的和月科学家数十次在与地球距离约240,000英里(385,000公里)的平装小说大小的反射器上发射激光束。他们今天与法国同事合

在过去的间反激光进科十年中，宇航局的射的束促科学家数十次在与地球距离约240,000英里(385,000公里)的平装小说大小的反射器上发射激光束。他们今天与法国同事合作宣布，地球他们是和月第一次收到信号，这是间反激光进科一个令人鼓舞的结果，可以增强用于研究宇宙物理的射的束促激光实验。

宇航局科学家瞄准的地球反射器安装在月球侦察轨道器(LRO)上，该航天器自2009年以来一直在研究月球轨道。和月工程师将反射器放置在LRO上的间反激光进科原因之一是，它可以作为原始目标来帮助测试大约50年前留在月球表面的射的束促面板的反射能力。这些较旧的地球反射器返回的信号微弱，这使得将其用于科学变得更加困难。和月

自阿波罗时代以来，间反激光进科科学家一直在月球上使用反射器，以了解有关我们最近的邻居的更多信息。这是一个相当简单的实验：将一束光束对准反射器，并记录光返回所需的时间。数十年来进行这一测量导致了重大发现。

最大的启示之一是地球和月球以指甲生长的速度(即每年1.5英寸(3.8厘米))缓慢地漂移。差距的扩大是两个物体之间重力相互作用的结果。

“现在，我们已经收集了50年的数据，我们可以看到否则将无法看到的趋势，”来自马里兰州格林贝尔特的宇航局戈达德太空飞行中心的行星科学家Erwan Mazarico说， LRO实验已于8月7日在《地球，行星与太空》杂志上进行了描述。

马扎里科说：“激光科学是一个漫长的游戏。”

但是，如果科学家要在未来继续使用面板，他们需要弄清楚为什么其中一些面板只返回预期信号的十分之一。

月球上有五个反光板。阿波罗11号和14号机组分别在1969年和1971年交付了两架。它们每个都是由100面镜子制成，科学家将它们称为“角as”，因为它们是玻璃cube角。这些反光镜的好处是它们可以将光反射回任何方向。1973年，阿波罗15号宇航员放下了另一个带有300个角corner的面板。1970年和1973年降落的苏联机器人漫游者Lunokhod 1和2携带了两个附加反射器，每个反射器都有14面镜子。这些反射器共同构成了阿波罗时代的最后一个工作科学实验。

一些专家怀疑，随着时间的流逝，尘埃可能已经沉积在这些反射器上，这可能是由于微陨石撞击到月球表面而引起的。结果，灰尘可能会阻挡光到达反射镜，并使反射镜绝缘并使它们过热并降低效率。科学家希望使用LRO的反射器来确定是否正确。他们认为，如果发现LRO反射器反射的光与表面反射的光之间存在差异，则可以使用计算机模型测试是否是灰尘或其他原因。无论是什么原因，科学家都可以在数据分析中说明原因。

尽管他们首次成功地进行了激光测距实验，但Mazarico和他的团队尚未解决尘埃问题。研究人员正在完善他们的技术，以便他们可以收集更多的测量值。

将光子束发送到月球并重新获得的艺术

同时，尽管信号较弱，科学家仍继续依靠表面反射器学习新事物。

通过测量激光反弹所需的时间(平均约2.5秒)，研究人员可以计算出地球激光站与月球反射器之间的距离，该距离可以小于一英寸或几毫米。这大约是橙皮的厚度。

除了地月漂移之外，这种长时间的测量还通过多个反射器进行了测量，结果表明月球具有流体核心。科学家可以通过监视月亮旋转时的最小摆动来判断。宇航局戈达德研究月球内部结构的科学家Vishnu Viswanathan说，但他们想知道这种流体内部是否有固体核。

维斯瓦纳森说：“知道月球的内部空间会带来更大的影响，涉及月球的演化，并解释月球磁场的时间以及它如何消亡。”

阿波罗(Apollo)宇航员返回的月球样品的磁性测量结果表明，鉴于月球有多小，这是没有人料到的：我们的卫星在数十亿年前就具有磁场。科学家一直在试图弄清楚月球内部会产生什么。

激光实验可以帮助揭示月球核心中是否存在固体物质，这将有助于为现已灭绝的磁场提供动力。但是要了解更多信息，科学家首先需要以比当前几毫米更高的精度来了解地球站与月球反射器之间的距离。帮助设计LRO反射器的Goddard行星科学家Sun Xiaoli说：“这一测量的精度可能会加深我们对重力和太阳系演化的理解。”

例如，使更多的光子往返月球并更好地解释由于灰尘而丢失的光子是有助于提高精度的两种方法。但这是一项艰巨的任务。

考虑面板。科学家必须首先查明每个卫星的精确位置，该位置会随着月球轨道的变化而不断变化。然后，激光光子必须在地球厚厚的大气层中传播两次，这会使它们散射。

因此，最初到达地面约10英尺(或几米)宽的光束在到达月球表面时可能会扩展到一英里(或两公里)以上，而在反弹时会更宽背部。这意味着从地球发射的光子有千分之二的机会到达阿波罗11号反射器。根据一些估计，对于设法到达月球的少数光子而言，它们将其返回的可能性甚至更低(2.5亿分之一)。

如果这些困难看起来令人生畏，到达LRO的反射器就更具挑战性。首先，它是较小的Apollo 11和14面板的十分之一，只有12个立体角镜。它也被连接到一个快速移动的目标上，该目标的体积比紧凑型汽车的尺寸大，而距我们的距离是迈阿密到西雅图的70倍。激光站的天气也会影响光信号，太阳，月亮和地球的排列也会受到影响。

这就是为什么在过去的十年中，尽管有几次尝试，NASA Goddard的科学家一直无法到达LRO的反射器，直到他们与法国研究人员合作。

迄今为止，他们的成功是基于法国蔚蓝大学Géoazur团队开发的先进技术为法国格拉斯的激光站使用的，该技术可以使LRO发出红外波长的光。使用红外光的好处之一是，它比科学家传统上使用的可见绿色波长的光更好地穿透地球大气层。

但马扎里科和他的团队在论文中报告说，即使有红外光，格拉斯望远镜也仅在2018年和2019年的几天内从LRO发出的数万个脉冲中仅接收到约200个光子。

看起来似乎不多，但是随着时间的推移，即使几个光子也可以帮助回答表面反射器灰尘的问题。成功返回激光束还显示了使用红外激光精确监视地球和月球轨道以及使用许多小型反射镜(可能安装在NASA的商业月球着陆器上)的希望。这就是为什么一些科学家希望看到新的和改进的反射器被送往宇航局计划做的更多月球区域的原因。其他人则呼吁在全球范围内增加更多配备可向月球脉冲的红外激光的设施从不同角度出发，可以进一步提高距离测量的精度。科学家们说，诸如此类的激光测距新方法可以确保这些基础研究的遗产得以延续。