Zmierzyć odległość Ziemia-Księżyc z pomocą lasera jest trudniej niż myślicie

Jednym z argumentów stosowanych w celu obalenia teorii o sfałszowaniu lądowania na naszym naturalnym satelicie jest informacja o pomiarach odległości Ziemia-Księżyc za pomocą wiązki lasera. Dla zwolenników teorii spiskowych, to co prawda żaden dowód tak jak galeria zdjęć z misji Apollo, ale naukowe implikacje pomiarów są bardzo istotne. Dla przypomnienia, pierwsze geometryczne próby oszacowania odległości Ziemia-Księżyc, choć błędne ze względu na niedoskonałość metod pomiarowych, poczynił Arystarch z Samos już ponad 2000 lat temu.

Wróćmy jednak do naszych czasów. Wiązkę lasera emituje się w kierunku specjalnych retroreflektorów pozostawionych na Księżycu przez misje Apollo 11, 14 i 15, a także zainstalowanych na radzieckich łazikach księzycowych Łunochod 1 i 2. Dzięki tym pomiarom wiemy na przykład, że nasz kosmiczny towarzysz oddala się od Ziemi w tempie około 3,8 centymetra rocznie. Odpowiadają za to siły pływowe, te same, które powodują przypływy i odpływy mórz i oceanów na Ziemi.

Im Księżyc dalej od Ziemi tym dłuższa nasza doba

W ciągu życia pojedynczego człowieka, Księżyc oddali się nawet 3 metry od Ziemi. To wciąż niewiele, ale gdy zaczniemy kumulować te wartości, sprawa nabierze znaczenia. Od początku ery wielkich odkryć geograficznych odległość wzrosła o 20 metrów. Od momentu pojawienia się na Ziemi pierwszych hominidów, o 152 kilometry. Mowa tu oczywiście o średniej odległości Ziemia-Księżyc, bo ze względu na eliptyczną orbitę w ciągu miesiąca chwilowa odległość Ziemia Księżyc zmienia się o około 50 tysięcy kilometrów. Obecnie wynosi średnio 386 tysięcy kilometrów.

Położenie Księzyca względem Ziemi przy zachowaniu rozmiarów obu ciał niebieskich

Zmiana odległości nie pozostaje bez wpływu na Ziemię. Im dalej jest Księżyc, tym wolniej obraca się Ziemia wokół własnej osi. Rośnie długość ziemskiej doby. Oczywiście w ciągu życia człowieka, a nawet istnienia naszej cywilizacji zmiana jest bardzo niewielka. W ciągu stulecia doba wydłuża się jedynie o 2 milisekundy. Nie należy mylić tej zmiany, z rozbieżnościami, które wynikają z pomiaru czasu za pomocą zegarów atomowych i astronomicznych - wynika z nich sekunda przestępna i nie ma ona związku ze spowalniającym się tempem obrotu Ziemi wokół własnej osi.

Na 25 godzinną dobę za swojego życia nie mamy co liczyć. Istnieją modele, które zakładają, że około 1,4 miliarda lat temu, gdy ziemskie życie osiągnęło dopiero poziom pojedynczych komórek, doba trwała 18 godzin. Z nich też wynika, że tempo oddalania się jest zmienne, więc trudno ekstrapolować wspomniane 3,8 centymetra rocznie na geologiczną skalę czasu.

Pomiary odległości i budowa wewnętrzna Księżyca

Zmiany długości ziemskiej doby, to nie jedyny cenny wniosek wynikający z pomiarów odległości. Dziś wiemy, że Księżyc najprawdopodobniej ma płynne jądro. Teraz celem badań jest uściślenie wyników i uzyskanie odpowiedzi na pytanie czy wewnętrzna część jądra jest stała, podobnie jak w przypadku Ziemi. Te wszystkie informacje okażą się bezcenne przy kreśleniu historii księżycowego pola magnetycznego. Które kiedyś istniało i było silne, a dziś jest już szczątkowe.

Jak działa pomiar odległości Ziemia-Księzyc?

Największy panel odbijający światło, który pozostawili astronauci Apollo 15 ma rozmiar 105 x 65 centymetrów. Nie jest to płaskie lustro, a powierzchnia pokryta stosowanymi przy laserowych pomiarach reflektorami rogowymi (pierwsze dwa mają po 100 takich reflektorów, trzeci 300). Pojedyncze takie reflektory umieszczone są też na łazikach Curiosity i Perseverance, ale służą jedynie do pomiarów z orbity Marsa.

Działają one tak, że niezależnie od kierunku z jakiego padnie światło na panel, obserwatorzy mają gwarancję, że zostanie ono odbite z powrotem w kierunku równoległym do kierunku nadejścia. W przypadku zwykłego lustra tylko światło padające idealnie na wprost wróciłoby do obserwatora, a takie dokładne umieszczenie obiektu na powierzchni Księżyca względem nadajnika na Ziemi graniczyłoby z cudem.

W kierunku luster emitowana jest wiązka laserowa, która po odbiciu wraca na Ziemię i jest rejestrowana. Mierzone jest opóźnienie, oceniana jest odległość.

Dlaczego wszystko wydaje się proste, a jednak takie nie jest?

Pomiary odległości Ziemia-Księżyc wykonywane są obecnie z dokładnością do pojedynczych milimetrów. Sygnał wysłany na Księżyc odbity od reflektora wraca na Ziemię po 2,5 sekundach. Wraca, ale nie zawsze? I nic w tym dziwnego, bo całe to mierzenie odległości jest bardzo trudne.

Pierwszym problemem jest spójność wiązki. Stosunkowo skupiona wiązka lasera, która ma nawet na Ziemi spory rozmiar, bo musi być odpowiednio mocna by spenetrować atmosferę Ziemi (i to dwukrotnie), w odległości Księżyca jest szerokości nawet 2 kilometrów. Jeśli uda się wycelować w reflektor, to trafi w niego niewiele fotonów z wiązki, a jeszcze mniej ma szansę zostać zarejestrowanych z powrotem na Ziemi.

Według NASA, szansa, że pojedynczy foton wyemitowany z Ziemi w kierunku reflektora pozostawionego przez Apollo 11 do niego dotrze, wynosi 1 / 25 000 000. Każdy z tych fotonów szczęściarzy, ma z kolei dziesięć razy mniejszą szansę, że powróci na Ziemię i zostanie zarejestrowany.

Dlatego choć pomiary są wykonywane regularnie, jest to ciężkie zadanie. Jest jeszcze inny problem. Tylko 1/10 spodziewanego sygnału zwrotnego jest odbierana na Ziemi. Przypuszcza się, że panele zostały w jakiś sposób zabrudzone. Wydaje się, że trudno na Księżycu o burzę pyłową, bo jego atmosfera jest jak najlepsza próżnia wytworzona na Ziemi. Istotnie pyłowej burzy w takiej skali jak na Marsie nie będzie. Jednak wzbudzony z powierzchni pył, choćby przez spadające meteoroidy, nawet na Księżycu może stanowić problem.

Pierwszy krok, by wyjaśnić trudności pomiarowe został poczyniony

Dlatego NASA we współpracy z Francuskimi naukowcami zdecydowała się na wykorzystanie reflektora na orbiterze Lunar Recoinassance Orbiter (LRO), by dociec istoty problemu.

Ten reflektor jest wielkości małej książki, sam orbiter ciągle jest w ruchu, więc wyzwanie ogromne. W końcu po wielu próbach udało się jednak zarejestrować sygnał zwrotny. By zwiększyć dokładność pomiaru, zamiast wiązki zielonego lasera we francuskim ośrodku w Grasse użyto mniej podatną na zakłócenia podczerwień i laser impulsowy.

Dziś wiadomo już, że coś jest nie tak z retroreflektorami odbijającymi wiązki lasera na Księżycu. Teraz jednak stworzyć odpowiednie modele, by dokładnie określić co tak naprawdę odpowiedzialne jest za wspomniane problemy.

Źródło: NASA, inf. własna

Więcej na tematy astronomiczne:

• Perseidy 2020 - jak, gdzie, kiedy obserwować - uda się nawet z domu
• Mars 2020 bez tajemnic - ciekawe fakty - misja pomyślnie rozpoczęta
• Zobaczyć to uwierzyć - pierwsze zdjęcie pozasłonecznego układu z dwiema planetami