Tientallen keren in de afgelopen tien jaar hebben NASA-wetenschappers laserstralen gelanceerd op een reflector ter grootte van een paperback-roman van ongeveer 240, 000 mijl (385, 000 kilometer) verwijderd van de aarde. Ze maakten vandaag bekend in samenwerking met hun Franse collega's, dat ze voor het eerst signaal terug kregen, een bemoedigend resultaat dat laserexperimenten zou kunnen verbeteren die worden gebruikt om de fysica van het universum te bestuderen.

De reflector waarnaar NASA-wetenschappers streefden, is gemonteerd op de Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), een ruimtevaartuig dat sinds 2009 de maan vanuit zijn baan bestudeert. Een van de redenen waarom ingenieurs de reflector op LRO plaatsten, was dat het als een ongerept doelwit kon dienen om het reflecterende vermogen te testen van panelen die ongeveer 50 jaar geleden op het oppervlak van de maan waren achtergelaten. Deze oudere reflectoren geven een zwak signaal terug, wat het moeilijker maakt om ze voor de wetenschap te gebruiken.

Wetenschappers gebruiken sinds het Apollo-tijdperk reflectoren op de maan om meer te weten te komen over onze naaste buur. Het is een vrij eenvoudig experiment:richt een lichtstraal op de reflector en klok de tijd die nodig is om het licht terug te laten komen. Decennia van het maken van deze ene meting heeft geleid tot grote ontdekkingen.

Een van de grootste onthullingen is dat de aarde en de maan langzaam uit elkaar drijven met het tempo waarin vingernagels groeien, of 1,5 inch (3,8 centimeter) per jaar. Deze steeds groter wordende kloof is het resultaat van zwaartekrachtinteracties tussen de twee lichamen.

"Nu we al 50 jaar gegevens verzamelen, we kunnen trends zien die we anders niet hadden kunnen zien, " zei Erwan Mazarico, een planetaire wetenschapper van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland die het LRO-experiment coördineerde dat op 7 augustus in het tijdschrift Earth werd beschreven, Planeten en ruimte.

"Laser-afstandswetenschap is een lang spel, ' zei Mazarico.

Maar als wetenschappers de oppervlaktepanelen tot ver in de toekomst willen blijven gebruiken, ze moeten uitzoeken waarom sommigen van hen slechts een tiende van het verwachte signaal retourneren.

Er zijn vijf reflecterende panelen op de maan. Twee werden geleverd door Apollo 11 en 14 bemanningen in 1969 en 1971, respectievelijk. Ze zijn elk gemaakt van 100 spiegels die wetenschappers "hoekkubussen, " aangezien het hoeken van een glazen kubus zijn; het voordeel van deze spiegels is dat ze licht kunnen terugkaatsen naar elke richting waar het vandaan komt. Een ander paneel met 300 hoekkubussen werd in 1973 door Apollo 15-astronauten afgezet. Sovjet-robotrovers genaamd Lunokhod 1 en 2, die in 1970 en 1973 landde, draag twee extra reflectoren, met elk 14 spiegels. collectief, deze reflectoren vormen het laatste werkende wetenschappelijke experiment uit het Apollo-tijdperk.

Sommige deskundigen vermoeden dat er in de loop van de tijd stof op deze reflectoren is neergedaald, mogelijk nadat ze omhoog werden geschopt door inslagen van micrometeoriet op het oppervlak van de maan. Als resultaat, het stof kan ervoor zorgen dat het licht de spiegels niet bereikt en ook de spiegels isoleert, waardoor ze oververhit raken en minder efficiënt worden. Wetenschappers hoopten de reflector van LRO te gebruiken om te bepalen of dat waar is. Ze dachten dat als ze een discrepantie vonden in het licht dat terugkeerde van de LRO-reflector versus de oppervlaktereflector, ze konden computermodellen gebruiken om te testen of stof, of iets anders, is verantwoordelijk. Wat de oorzaak ook is, wetenschappers zouden het dan kunnen verantwoorden in hun data-analyse.

Ondanks hun eerste succesvolle experimenten met laserbereik, Mazarico en zijn team hebben de stofkwestie nog niet opgelost. De onderzoekers verfijnen hun techniek zodat ze meer metingen kunnen verzamelen.

De kunst om een ​​fotonenstraal naar de maan te sturen... en terug te krijgen

Ondertussen, wetenschappers blijven vertrouwen op de oppervlaktereflectoren om nieuwe dingen te leren, ondanks het zwakkere signaal.

Door te meten hoe lang het laserlicht nodig heeft om terug te kaatsen - gemiddeld ongeveer 2,5 seconden - kunnen onderzoekers de afstand tussen laserstations op aarde en maanreflectoren berekenen tot minder dan 2,5 cm. of een paar millimeter. Dit is ongeveer de dikte van een sinaasappelschil.

Naast de aarde-maan drift, dergelijke metingen over een lange periode en over verschillende reflectoren hebben aangetoond dat de maan een vloeibare kern heeft. Wetenschappers kunnen het zien door de geringste wiebeling te observeren terwijl de maan draait. Maar ze willen weten of er een vaste kern in die vloeistof zit, zei Vishnu Viswanathan, een NASA Goddard-wetenschapper die de interne structuur van de maan bestudeert.

"Weten over het binnenste van de maan heeft grotere implicaties die betrekking hebben op de evolutie van de maan en het verklaren van de timing van zijn magnetisch veld en hoe het uitstierf, ' zei Viswanathan.

Magnetische metingen van maanmonsters die door Apollo-astronauten waren teruggestuurd, onthulden iets wat niemand had verwacht gezien de kleine maan:onze satelliet had miljarden jaren geleden een magnetisch veld. Wetenschappers hebben geprobeerd erachter te komen wat in de maan het zou kunnen hebben gegenereerd.

Laserexperimenten zouden kunnen helpen onthullen of er vast materiaal in de kern van de maan is dat zou hebben bijgedragen aan het aandrijven van het nu uitgestorven magnetische veld. Maar om meer te leren, wetenschappers moeten eerst de afstand tussen de grondstations en de maanreflectoren nauwkeuriger kennen dan de huidige paar millimeters. "De precisie van deze ene meting heeft het potentieel om ons begrip van de zwaartekracht en de evolutie van het zonnestelsel te verfijnen, " zei Xiaoli Sun, een planetaire wetenschapper van Goddard die hielp bij het ontwerpen van de reflector van LRO.

Meer fotonen naar de maan en terug brengen en beter rekening houden met fotonen die verloren zijn gegaan door stof, bijvoorbeeld, zijn een aantal manieren om de precisie te helpen verbeteren. Maar het is een gigantische taak.

Denk aan de oppervlaktepanelen. Wetenschappers moeten eerst de precieze locatie van elk lokaliseren, die voortdurend verandert met de baan van de maan. Vervolgens, de laserfotonen moeten twee keer door de dikke atmosfeer van de aarde reizen, die de neiging heeft ze te verstrooien.

Dus, wat begint als een lichtstraal van ongeveer 10 voet, of een paar meter, breed op de grond kan zich uitstrekken tot meer dan een mijl, of twee kilometer, tegen de tijd dat het het maanoppervlak bereikt, en veel breder wanneer het terugkaatst. Dat vertaalt zich in een kans van één op 25 miljoen dat een vanaf de aarde gelanceerd foton de Apollo 11-reflector zal bereiken. Voor de weinige fotonen die de maan weten te bereiken, er is een nog kleinere kans, één op 250 miljoen, dat ze terug zullen komen, volgens sommige schattingen.

Als die kansen ontmoedigend lijken, het bereiken van de reflector van LRO is nog uitdagender. Voor een, het is een tiende van de kleinere Apollo 11 en 14 panelen, met slechts 12 hoekkubusspiegels. Het is ook bevestigd aan een snel bewegend doelwit ter grootte van een compacte auto die 70 keer verder van ons verwijderd is dan Miami van Seattle. Het weer op het laserstation beïnvloedt het lichtsignaal, te, net als de uitlijning van de zon, maan en aarde.

Dat is de reden waarom, ondanks verschillende pogingen in het afgelopen decennium, wetenschappers van NASA Goddard de reflector van LRO niet konden bereiken tot hun samenwerking met Franse onderzoekers.

Hun succes tot nu toe is gebaseerd op het gebruik van geavanceerde technologie die is ontwikkeld door het Géoazur-team aan de Université Côte d'Azur voor een laserstation in Grasse, Frankrijk, die een infrarode golflengte van licht kan pulseren bij LRO. Een voordeel van het gebruik van infrarood licht is dat het beter door de atmosfeer van de aarde dringt dan de zichtbare groene golflengte van licht die wetenschappers traditioneel gebruiken.

Maar zelfs met infrarood licht, de Grasse-telescoop ontving slechts ongeveer 200 fotonen terug van tienduizenden pulsen die op LRO werden uitgezonden tijdens een paar data in 2018 en 2019, Mazarico en zijn team rapporteren in hun krant.

Het lijkt misschien niet veel, maar zelfs een paar fotonen in de loop van de tijd zouden kunnen helpen bij het beantwoorden van de stofvraag van de oppervlaktereflector. Een succesvolle laserstraalretour toont ook de belofte van het gebruik van infraroodlaser voor nauwkeurige monitoring van de banen van de aarde en de maan, en van het gebruik van veel kleine reflectoren - misschien geïnstalleerd op NASA's commerciële maanlanders - om dit te doen. Dit is de reden waarom sommige wetenschappers graag zouden zien dat nieuwe en verbeterde reflectoren naar meer delen van de maan worden gestuurd, die NASA van plan is te doen. Anderen pleiten voor meer faciliteiten over de hele wereld die zijn uitgerust met infraroodlasers die vanuit verschillende hoeken naar de maan kunnen pulseren. die de precisie van afstandsmetingen verder kan verbeteren. Nieuwe benaderingen van laserbereik zoals deze kunnen ervoor zorgen dat de erfenis van deze fundamentele studies zal worden voortgezet, wetenschappers zeggen.