近日，中科院云南天文臺(tái)利用阿波羅15號(hào)任務(wù)中置于月面的哈德利峽谷處的反射鏡陣列完成了我國(guó)首次月球激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)，填補(bǔ)了我國(guó)在月球激光測(cè)距領(lǐng)域的空白。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)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(shí)測(cè)距離的偏差在1m之內(nèi)。
那么，何為月球激光測(cè)距？它的原理是什么？為什么月球激光測(cè)距是只有少數(shù)國(guó)家掌握的技術(shù)呢？
故事要從1969年7月21日休斯頓時(shí)間下午4時(shí)說(shuō)起......
將激光測(cè)距反射鏡陣列帶上月球
此時(shí)，“阿波羅11號(hào)”登月任務(wù)宇航員阿姆斯特朗剛剛將“自己一小步，人類(lèi)一大步”永久的印在了月球靜海表面，隨后宇航員奧爾德林也邁出了歷史性的一步，緊隨阿姆斯特朗開(kāi)始了月球漫步。整個(gè)艙外活動(dòng)共持續(xù)了2小時(shí)31分之久，整個(gè)過(guò)程對(duì)地球上近6億人進(jìn)行了直播。
這期間，兩位登月宇航員完成了月球表面巖石標(biāo)本采集、月表撞擊坑邊緣地質(zhì)考察、紀(jì)念標(biāo)志物放置任務(wù)。除此之外，他們還精心放置了阿波羅計(jì)劃初期的月球科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器組——被動(dòng)式月震儀和一臺(tái)激光測(cè)距反射鏡陣列。三天后，即1969年7月24日，阿波羅11號(hào)返回艙出現(xiàn)在了北太平洋中部約翰斯頓環(huán)礁以南380千米處，順利地完成了這次人類(lèi)首次登月壯舉。
宇航員奧爾德林在月表放置反射鏡陣列（NASA JPL）
那臺(tái)被永遠(yuǎn)留在了月球表面的激光測(cè)距反射鏡陣列，僅在一周后就開(kāi)始了工作。1969年8月1日，美國(guó)Lick 天文臺(tái)用3m 望遠(yuǎn)鏡成功地觀測(cè)到來(lái)自Apollo 11 反射器的激光測(cè)距回波信號(hào)；8月22日，美國(guó)McDonald 天文臺(tái)的2.7m望遠(yuǎn)鏡亦收到回波信號(hào)；隨后對(duì)Apollo 11反射器進(jìn)行成功測(cè)距試驗(yàn)的還有美國(guó)空軍在亞利桑那州的劍橋研究實(shí)驗(yàn)室、法國(guó)的Pic du Mdi天文臺(tái)和日本的東京天文臺(tái)，開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)對(duì)地球與月球間距離進(jìn)行精確測(cè)量的歷史。
阿波羅15號(hào)搭載的反射鏡陣列（NASA JPL）
從古希臘學(xué)者阿里斯塔克思利用幾何原理測(cè)算地球和月球之間的距離開(kāi)始，人類(lèi)的智慧將地月間的測(cè)量誤差從百千米縮小到了厘米級(jí)別。目前月球表面共放置了5臺(tái)反射鏡陣列，其中尚能展開(kāi)測(cè)距工作的鏡陣列分別位于阿波羅11號(hào)、阿波羅14號(hào)、和阿波羅15號(hào)著陸區(qū)，以及蘇聯(lián)月球車(chē)2號(hào)駐留點(diǎn)。目前地球上能夠參與或開(kāi)展月激光測(cè)距工作的觀測(cè)臺(tái)站分別位于美國(guó)、法國(guó)、意大利和南非，當(dāng)然現(xiàn)在要加上中國(guó)了。
月球激光測(cè)距，怎么做到的？
月球激光測(cè)距，其原理簡(jiǎn)而言之就是將具有高度同向性脈沖激光束射向人工放置在月表的反射鏡陣列，利用角反射鏡能將反射光信號(hào)沿原發(fā)射方向返回地面測(cè)站的光路性質(zhì)，通過(guò)發(fā)送接收時(shí)間差計(jì)算出地月距離。
原理看似簡(jiǎn)單，但這項(xiàng)技術(shù)只有少數(shù)國(guó)家才能掌握。置于月球表面面積最大的反射鏡陣列來(lái)自阿波羅15號(hào)，面積約0.3平方米，陣列中密密麻麻排布著近140個(gè)多角反射鏡，對(duì)于距此38萬(wàn)千米之外的地球上的觀測(cè)臺(tái)站來(lái)說(shuō)，這個(gè)反射面積如針孔般渺小。
月球激光測(cè)距原理圖（畫(huà)者布丁提供）
透過(guò)地球大氣層的包圍，一群群光子前赴后繼的從地球奔向月球，途中有天體引力場(chǎng)的干擾，有宇宙時(shí)空中引力波的影響，有自身能量的波動(dòng)和損耗。千辛萬(wàn)苦到達(dá)月面反射鏡后，數(shù)以億計(jì)的光子兄弟此時(shí)已損耗大半?；爻虝r(shí)除了遇到之前的同樣的困苦，要想準(zhǔn)確鉆回出發(fā)時(shí)家里的“被窩”，還需克服大氣擾流襲擾，原子鐘一絲不茍的計(jì)時(shí)為光子回家打開(kāi)了大門(mén)，而這一切都發(fā)生在短短的2.5秒之中。而完成10次這樣地月之旅后，能安然無(wú)恙回家的光子最多只有1個(gè)。
而云南天文臺(tái)的此次測(cè)距，是對(duì)多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)之后才實(shí)現(xiàn)的，比如自主研發(fā)了用于共光路月球激光測(cè)距系統(tǒng)來(lái)收發(fā)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)鏡，改進(jìn)了理論模型，提高了望遠(yuǎn)鏡的指向精度，改善了探測(cè)效率和光學(xué)傳輸效率。
月球激光測(cè)距觀測(cè)截圖
掌握月球激光測(cè)距技術(shù)有什么意義？
自人類(lèi)首次開(kāi)展月球激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)48年的實(shí)驗(yàn)積累，人類(lèi)才攢了不足2萬(wàn)個(gè)光子數(shù)據(jù)。利用這些得來(lái)不易的數(shù)據(jù)，人類(lèi)精確測(cè)算了月球軌道參數(shù)，測(cè)定了月球形狀，給出了愛(ài)因斯坦相對(duì)論參數(shù)，為未來(lái)地月空間探索乃至飛向更遙遠(yuǎn)的深空，提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。而我們未來(lái)要想攻克諸如探測(cè)空間引力波這樣的物理難題，不斷提高的地月距離測(cè)量精度是必須的。
放大版的地球—火星激光測(cè)距，甚至是星際間測(cè)距實(shí)驗(yàn)也已展開(kāi)。月球激光測(cè)距，早已開(kāi)始，卻仍是未完待續(xù)的故事.
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