月面レーザー測距実験

1969年のアポロ11号ミッションにおける月面レーザー測距実験

月レーザー測距(LLR)は、レーザー測距を用いて地球の表面間の距離を測定する手法である。距離は、光速で移動するレーザー光パルスの往復時間から算出される。レーザー光パルスは月の表面または月面に設置された複数の反射鏡によって地球に反射される。3つは米国のアポロ計画によって設置され(11、14、15)、2つはソ連のルノホート1号と2号によって設置れ([ 1 ] 、1つはインドのチャンドラヤーン3号によって設置された([ 2 ] [ 3 ])

月の表面から直接光や電波を反射させることは可能ですが(EMEと呼ばれるプロセス)、反射鏡を使用すると、より正確な距離測定が可能になります。反射鏡はサイズが小さいため、反射信号の時間的な広がりがはるかに小さくなり[ 4 ]、反射波がより均一に反射されて拡散が少なくなるためです。

レーザー測距は、LROなどの月周回衛星に搭載された反射鏡を使って行うこともできる。[ 5 ] [ 6 ]

歴史

アポロ 15 号の月面レーザー測距用再帰反射板
アポロ15号の月面レーザー測距反射鏡の概略図

月面測距テストが初めて成功したのは1962年で、マサチューセッツ工科大学ルイス・スムリンジョルジオ・フィオッコが、 50ジュール、0.5ミリ秒のパルス幅を持つレーザーを使用して、月面から反射されたレーザーパルスを観測することに成功した。[ 7 ]同じ年の後半には、ソ連のチームがクリミア天体物理観測所でQスイッチルビーレーザーを使用して同様の測定を行った。[ 8 ]

その後まもなく、プリンストン大学の大学院生ジェームズ・ファラーは、測定精度を向上させるために月に光学反射鏡を設置することを提案した。[ 9 ]これは、1969年7月21日にアポロ11号の乗組員によって再帰反射アレイが設置されたことで実現した。アポロ14号15号のミッションでは、さらに2つの再帰反射鏡アレイが残された。再帰反射鏡までの月のレーザー距離測定の成功は、1969年8月1日にリック天文台の3.1メートル(10フィート)望遠鏡によって初めて報告された。[ 9 ]その後すぐに、アリゾナ州の空軍ケンブリッジ研究所月測距観測所、フランスのピック・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る観測が続いた。

ソ連の無人探査車ルノホート1号ルノホート2号は、より小型のアレイを搭載していました。ソ連は1974年までルノホート1号からの反射信号を受信して​​いましたが、西側諸国の天文台は正確な位置情報を持っていなかったため、受信できませんでした。2010年、 NASAの月探査機ルナ・リコネッサンス・オービターがルノホート1号探査車の位置を画像で特定し、2010年4月にはカリフォルニア大学のチームがアレイの測距を行いました。[ 10 ]ルノホート2号のアレイは地球に信号を送り続けています。[ 11 ]ルノホートのアレイは直射日光下では性能が低下します。これはアポロ計画の反射鏡配置において考慮された要素です。[ 12 ]

アポロ15号のアレイは、以前の2回のアポロ計画で設置されたアレイの3倍の大きさです。その大きさゆえに、実験開始から25年間で行われたサンプル測定の4分の3が、このアレイで行われました。その後の技術の進歩により、フランスのニースにあるコート・ダジュール天文台や、ニューメキシコ州のアパッチポイント天文台におけるアパッチポイント月レーザー測距作戦(APOLLO)など、小型アレイの利用が拡大しました。

2010年代には、いくつかの新しい反射鏡が計画されました。民間のMX-1E着陸船によって設置される予定だったMoonLIGHT反射鏡は、既存のシステムに比べて測定精度を最大100倍向上させることを目的として設計されました。[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] MX-1Eは2020年7月に打ち上げられる予定でしたが、[ 16 ] 2020年2月現在、MX-1Eの打ち上げは中止されています。[ 17 ]インドのチャンドラヤーン3号月着陸船は、2023年8月に6つ目の反射鏡を月面に設置することに成功しました。[ 3 ]

原理

アポロとルノホート計画によって月面に残された反射板の位置を示す月面近辺の注釈付き画像[ 18 ]

月までの距離は、おおよそ次の式で計算されます: 距離= (光速×反射による遅延時間) / 2光速は定義された定数であるため、距離と飛行時間の換算は曖昧さなく行うことができます。

月までの距離を正確に計算するには、約2.5秒の往復時間に加えて、多くの要因を考慮する必要があります。これらの要因には、天空における月の位置、地球と月の相対的な動き、地球の自転、月の秤動極運動天候、空気中のさまざまな部分における光の速度、地球の大気圏を通じた伝播遅延、観測ステーションの位置と地殻変動潮汐によるその動き、相対論的効果が含まれます。[ 19 ] [ 20 ]距離はさまざまな理由により常に変化しますが、地球の中心と月の中心の間の平均は385,000.6 km (239,228.3 マイル) です。[ 21 ]月と惑星の軌道は、月の向きとともに数値的に積分され、物理的秤動と呼ばれます。[ 22 ]

月面では、ビームの幅は約6.5キロメートル(4.0マイル)です[ 23 ] [ i ] 。科学者たちは、ビームの照準を3キロメートル(1.9マイル)離れた動く10セント硬貨をライフルで撃つことに例えています。反射光は人間の目には見えないほど弱いです。反射鏡に向けられた3×10の17乗個の光子[ 24 ]のパルスのうち、良好な条件下でも地球に戻ってくるのはわずか1~5個です[ 25 ] 。レーザーは非常に単色性が高いため、これらの光子はレーザーから発生したものと特定できます。

2009年現在、月までの距離はミリメートル単位の精度で測定できる。[ 26 ]相対的に見ると、これはこれまでに行われた距離測定の中で最も正確なものの一つであり、ロサンゼルスとニューヨーク間の距離を人間の髪の毛の幅以内で測定するのと同等の精度である。

反射板一覧

天文台一覧

以下の表は、地球上の稼働中および休止中の月レーザー測距ステーションのリストを示しています。[ 21 ] [ 27 ]

月面レーザー測距ステーション
天文台 プロジェクト 動作期間 望遠鏡 レーザ 距離精度 参照
マクドナルド天文台、テキサス州、米国 MLRS 1969–1985

1985~2013年

2.7メートル 694 nm、7 J

532 nm、200 ps、150 mJ

[ 28 ]

[ 21 ]

クリミア天体物理観測所(CrAO)、ソ連 1974年、1982年~1984年 694 nm 3.0~0.6メートル [ 29 ]
コート・ダジュール天文台(OCA)、グラース、フランス メオ 1984~1986年

1986–2010

2010年~現在(2021年)

694 nm

532 nm、70 ps、75 mJ

532/1064 nm

[ 21 ] [ 30 ]
ハレアカラ天文台、ハワイ、米国 ルアー 1984~1990年 532 nm、200 ps、140 mJ 2.0センチ [ 21 ] [ 31 ]
マテーラレーザー測距観測所(MLRO)、イタリア 2003年~現在(2021年) 532 nm
アパッチポイント天文台、ニューメキシコ州、米国 アポロ2006~2021年

2021年~現在(2023年)

532 nm、100 ps、115 mJ 1.1ミリメートル [ 21 ]

[ 32 ]

ヴェッツェル測地観測所、ドイツ WLRS 2018年~現在(2021年) 1064 nm、10 ps、75 mJ [ 33 ]
雲南天文台、昆明、中国 2018 1.2メートル 532 nm、10 ns、3 J メーターレベル [ 34 ]

データ分析

月レーザー測距データは、様々なパラメータの数値を抽出するために収集されます。測距データの解析には、力学、地上地球物理学、そして月地球物理学が関わってきます。モデリングの問題は、月の軌道と月の向きの正確な計算、そして観測局から反射鏡までの飛行時間と、観測局への帰還時間を正確にモデル化することという2つの側面から成ります。最新の月レーザー測距データは、1cmの重み付きRMS残差でフィッティング可能です。

  • 地球の中心から月の中心までの距離は、太陽、惑星、および選択された小惑星の重力を考慮して月と惑星の軌道を数値的に積分するプログラムによって計算されます。[ 35 ] [ 22 ]
  • 同じプログラムは、物理的な秤動と呼ばれる月の 3 軸の向きを統合します。

範囲モデルには[ 35 ] [ 36 ]が含まれる。

陸上モデルについては、IERSコンベンション(2010)が詳細な情報源となります。[ 37 ]

結果

月のレーザー測距データは、パリ天文台月分析センター[ 38 ] 、国際レーザー測距サービスアーカイブ[ 39 ] 、 [ 40 ] 、および稼働中の観測所から入手可能です。この長期実験から得られた知見の一部は以下のとおりです。[ 21 ]

月の性質

  • 月までの距離はミリメートル単位の精度で測定できる。[ 26 ]
  • 月は地球から螺旋状に遠ざかっており、3.8cm/年[ 23 ] [ 41 ]この速度は異常に高いとされている[ 42 ] 。
  • 月の流体核は、核/マントル境界の消散効果から検出された。[ 43 ]
  • 月には自由な物理的振動があり、それを刺激するメカニズムが1つ以上必要です。[ 44 ]
  • 月の潮汐消散は潮汐周波数に依存する。[ 41 ]
  • 月には、おそらく月の半径の約20%の液体核がある。[ 11 ]月の核マントル境界の半径は次のように決定される。381 ± 12 km . [ 45 ]
  • 月の核マントル境界の極平坦化は次のように決定される。(2.2 ± 0.6) × 10 −4 . [ 45 ]
  • 月の自由核章動は次のように決定される。367 ± 100[ 45 ]
  • 反射鏡の正確な位置は、軌道上の宇宙船から見える参照点として機能します。[ 46 ]

重力物理学

参照

参考文献

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