國內首次完成月球激光測距，怎么做到的？

近日，中科院云南天文臺操縱阿波羅15號使命中置于月面的哈德利峽谷處的反射鏡陣列完當作了我國初次月球激光測距嘗試，填補了我國在月球激光測距范疇的空白。實測數據段顯示2018年1月22日晚21:25-22:31，地月間距離為385823.433km-387119.600km，實測距離的誤差在1m之內。

那么，何為月球激光測距？它的道理是什么？為什么月球激光測距是只有少數國度把握的手藝呢？

故事要從1969年7月21日休斯馬上間下戰書4時說起......

將激光測距反射鏡陣列帶上月球

此時，“阿波羅11號”登月使命宇航員阿姆斯特朗方才將“本身一小步，人類一年夜步”永遠的印在了月球靜海概況，隨后宇航員奧爾德林也邁出了汗青性的一步，緊隨阿姆斯特朗起頭了月球安步。整個艙外勾當共持續了2小時31分之久，整個過程對地球上近6億人進行了直播。

這時代，兩位登月宇航員完當作了月球概況巖石標本采集、月表撞擊坑邊緣地質考查、紀念標記物放置使命。除此之外，他們還精心放置了阿波羅打算初期的月球科學嘗試儀器組——被動式月震儀和一臺激光測距反射鏡陣列。三天后，即1969年7月24日，阿波羅11號返回艙呈現在了海說神聊承平洋中部約翰斯頓環礁以南380千米處，順遂地完當作了此次人類初次登月豪舉。

宇航員奧爾德林在月表放置反射鏡陣列（NASA JPL）

那臺被永遠留在了月球概況的激光測距反射鏡陣列，僅在一周后就起頭了工作。1969年8月1日，美國Lick 天文臺用3m 千里鏡當作功地不雅測到來自Apollo 11 反射器的激光測距回波旌旗燈號；8月22日，美國McDonald 天文臺的2.7m千里鏡亦收到回波旌旗燈號；隨后對Apollo11反射器進行當作功測距試驗的還有美國空軍在亞利桑那州的劍橋研究嘗試室、法國的Pic du Mdi天文臺和日本的東京天文臺，開創了人類對地球與月球間距離進行切確測量的汗青。

阿波羅15號搭載的反射鏡陣列（NASA JPL）

從古希臘學者阿里斯塔克思操縱幾何道理測算地球和月球之間的距分開始，人類的聰明將地月間的測量誤差從百千米縮小到了厘米級別。今朝月球概況共放置了5臺反射鏡陣列，此中尚能睜開測距工作的鏡陣列別離位于阿波羅11號、阿波羅14號、和阿波羅15號著陸區，以及蘇聯月球車2號駐留點。今朝地球上可以或許介入或開展月激光測距工作的不雅測臺站別離位于美國、法國、意年夜利和南非，當然此刻要加上中國了。

月球激光測距，怎么做到的？

月球激光測距，其道理簡而言之就是將具有高度同標的目的性脈沖激光束射標的目的人工放置在月表的反射鏡陣列，操縱角反射鏡能將反射光旌旗燈號沿原發射偏向返回地面測站的光路性質，經由過程發送領受時候差計較出地月距離。

道理看似簡單，但這項手藝只有少數國度才能把握。置于月球概況面積最年夜的反射鏡陣列來自阿波羅15號，面積約0.3平方米，陣列中密密麻麻排布著近140個多角反射鏡，對于距此38萬千米之外的地球上的不雅測臺站來說，這個反射面積如針孔般細微。

月球激光測距道理圖（畫者布丁供給）

透過地球年夜氣層的包抄，一群群光子前仆后繼的從地球奔標的目的月球，途中有天體引力場的干擾，有宇宙時空中引力波的影響，有自身能量的波動和損耗。千辛萬苦達到月面反射鏡后，數以億計的光子兄弟此時已損耗年夜半。回程時除了碰到之前的同樣的困苦，要想精確鉆回出發時家里的“被窩”，還需降服年夜氣擾流襲擾，原子鐘一絲不茍的計時為光子回家打開了年夜門，而這一切都發生在短短的2.5秒之中。而完當作10次如許地月之旅后，能平安無事回家的光子最多只有1個。

而云南天文臺的此次測距，是對多項關頭手藝進行攻關之后才實現的，好比自立研發了用于共光路月球激光測距系統來收發轉換的轉鏡，改良了理論模子，提高了千里鏡的指標的目的精度，改善了探測效率和光學傳輸效率。

月球激光測距不雅測截圖

把握月球激光測距手藝有什么意義？

自人類初次開展月球激光測距嘗試以來，顛末48年的嘗試堆集，人類才攢了不足2萬個光子數據。操縱這些得來不易的數據，人類切確測算了月球軌道參數，測心猿意馬了月球外形，給出了愛因斯坦相對論參數，為將來地月空間摸索甚至飛標的目的更遙遠的深空，供給了堅實的數據根本。而我們將來要想霸占諸如探測空間引力波如許的物理難題，不竭提高的地月距離測量精度是必需的。

放年夜版的地球—火星激光測距，甚至是星際間測距嘗試也已睜開。月球激光測距，早已起頭，卻仍是未完待續的故事......

文/魯暘筱懿

行星物理博士，國度遙感中間副研究員

審稿/茍利軍，國度天文臺研究員