ESCUELA POLITCNICA NACIONAL

Laser Ranging Retro-Reflector

ANDRS RICARDO ORDEZ GONZLEZLVARO RAFAEL MARTNEZ GMEZ

FECHA: 24-NOVIEMBRE-2014

Laser Ranging Retro-Reflector

1 Introduccin Laser Ranging Retro-Reflector. Tambin denominado LR-3, se trata de unexperimento instalado en el ALSEP de tres de las misiones Apolo (Apolo 11, 14y 15), si bien no forma parte del mismo, es destinado a reflejar un haz de lserdisparado desde nuestro planeta, con el fin de medir con elevada precisin ladistancia a la que en un momento determinado se encuentra la Luna.Este experimento se ha venido utilizando desde hace ms de 35 aos, ycontina activo. El reflector del Apolo 15 es tres veces ms grande que losotros dos reflectores de las misiones anteriores, por lo que este reflector fue elobjetivo del 75% de las mediciones hechas en los primeros 25 aos delexperimento. La mejora en la tecnologa desde entonces ha resultado en unmayor uso de los dos primeros reflectores, desde distintos observatorios delmundo, como el McDonald Observatory (Estados Unidos) y el observatorio Cted'Azur (Francia).La innegable presencia de los retro-reflectores lser en la superficie lunar hasido utilizada como un argumento para refutar las afirmaciones de que losalunizajes Apolo eran falsos.

2 HistoriaEl LLR por sus siglas en ingls (Lunar laser ranging) tiene origen al final de ladcada de 1950 en el programa de investigacin gravitacional de launiversidad de Princeton, R.H. Dicke y colaboradores consideraban mtodospara cambiar levemente la constante gravitacional G mediante medicionesexactas de la posicin de un satlite artificial muy denso en una orbita muyalta de la Tierra. El uso de reflectores pticos con pulsos de luz emitidos desdela tierra para medir el movimiento angular con respecto de las estrellas fue unode los mtodos estudiados a detalle.Las primeras pruebas se llevaron a cabo con xito en 1962, cuando un equipodel Instituto de Tecnologa de Massachusetts tuvo xito en la observacin depulsos de lser reflejados en la superficie de la Luna utilizando un lser con unalongitud de pulso de un milisegundo. Mediciones similares se obtuvieron mstarde el mismo ao por un equipo sovitico en el Observatorio Astrofsico deCrimea con un Q-switched lser de rub. Mayor precisin se logr tras lainstalacin de una matriz retro-reflectora el 21 de julio de 1969, por latripulacin del Apolo 11, mientras que otros dos arreglos Retro-Reflectoresdejados por las misiones Apolo 14 y Apolo 15 tambin han contribuido alexperimento. Mediciones exitosas de la distancia Luna-Tierra con los retro-reflectores y lser se informaron por primera vez por el telescopio de 3,1 m enel Observatorio Lick, Air Force Cambridge Research Laboratories Lunar Rangingobservatorio en Arizona, el Observatorio del Pic du Midi en Francia, elObservatorio Astronmico de Tokio y el Observatorio McDonald en Texas.

Los dos rovers automticos del programa sovitico Lunakhod tambin llevarona la Luna pequeos espejos similares. Se recibieron seales de lser rebotadaspor el Lunakhod 1, pero se perdi el contacto desde 1971, debido a laorientacin final de su reflector y cierta incertidumbre sobre su localizacin enla Luna. En Abril de 2010, un observatorio de la Universidad de California enSan Diego, usaron las imgenes del Lunar Reconnaissance Orbiter paralocalizarlo. El 22 de abril de 2010 y das posteriores se midi la distancia alrover, con xito, llegando a una aproximacin de 1 metro. Para su sorpresa, losreflectores de Lunakhod 1 estn reflejando mucha ms luz que cualquiera delos otros reflectores sobre la Luna. Por su parte, el retro-reflector del Lunakhod2 contina rebotando las seales de lser enviadas desde la Tierra.

3 Objetivos del experimento Una determinacin de la orbita de la Luna mucho mas precisa.

Determinacin de la ubicacin de los retro-reflectores con respecto al centro de masa de la Luna.

Estudio de las libraciones de la Luna (movimiento angular respecto al centro de masa debido a torques gravitacionales en la Luna).

Determinacin de las estaciones de medida en tierra desde donde las mediciones se hacen.

Una verificacin precisa de la teora gravitacional

4 Aspectos tcnicos Las mediciones mediante pulsos de lser reflejados en la Luna son tcnicamente un reto. Un pulso de lser colimado por un telescopio que tenga una divergencia de 3 a 4 segundos de arco, se expande en la Luna aproximadamente en un dimetro de 7 kilmetros, como cada esquina del reflector refleja la luz en la misma direccin de la que proviene, la seal recibida en la tierra tiene una intensidad de 10 a 100 mayor que la reflejada enla superficie lunar sin los retro-reflectores. El resultado son mediciones con precisiones de centmetros si uno posee un pulso de lser lo suficientemente corto y poderoso.

Los diseos del los retro-reflectores de las misiones Apolo y Lunakhod son sencillos, El paquete reflector Apolo 11 tiene 100 esquinas reflectoras de slice solida fundida montado en un panel de aluminio de 46 cm cuadrados. Los reflectores son 3,8 cm de dimetro y estn colocados bajo 1.9 cm en huecos en un panel para propsitos de controltrmico. El panel puede ser apuntado a la

Tierra para maximizar la seccin de rea efectiva retro-reflectora. El arreglo Franco-Ruso Lunakhod consiste de 14 esquinas de cubo de 11 cm de lado, estos arreglos sufren de una disminucin del rendimiento en la luz solar directa, un factor que se consider en los reflectores colocados durante las misiones Apolo.

El pequeo tamao relativo de los paneles significa que solo 10-9 de la luz que incide puede ser reflejada a la Tierra. El aumento angular de los pulsos que retornan se determina por difraccin, propiedades de polarizacin e irregularidades de los arreglos, que por ejemplo en las esquinas de cubos en el arreglo del Apolo es de 10 segundos de arco. Por lo tanto el dimetro con el que llega el pulso de lser a la tierra es de 20 Km. El uso de un telescopio de un metro de dimetro para recolectar el pulso proveniente de los retro-reflectores significa que solo 2*10-9 de los fotones que retornan entraran en la apertura del telescopio. Una variedad de cuestiones practicas, como eficienciacuntica, reflexin de espejos, rendimiento ptico bajo estrs trmico, etc., hacen que la eficiencia de la transicin y recepcin sean considerablemente menos que la unidad. La perdida de aproximadamente 10*-21 de seal hace quelos esfuerzos se centren en las estaciones de Tierra para minimizar esta perdida. Con una energa de 3 Joules la mayor energa que se puede transmitir cada segundo, se tiene 1*1019 fotones, por lo tanto la deteccin de fotones individuales en tierra es necesaria.

Una de las estaciones que mejores resultado tiene (CERGA) localizada a 1220 metros de altura a 20 Km al norte Cannes Francia, usa un telescopio de 1,5 metros con un lser Nd YAG (neodymium-doped yttrium aluminium garnet) de estado solido con frecuencia de 10 Hz de repeticin que produce 700 mJ por pulso con una longitud de onda de 1064 micrmetros.

5 FuncionamientoRodeado de pisadas, sobre el polvo lunar, descansa un panel de unos 60 cm deancho recubierto por los 100 espejos apuntando a la Tierra: la "matriz retro-reflectora de medicin lser lunar". El profesor de fsica Carroll Alley, de la Universidad de Maryland fue elinvestigador jefe del proyecto durante la poca del Apolo, y sigue su progresohoy da. "Empleando estos espejos", explica Alley, "podemos apuntar a la Lunacon pulsos lser y medir la distancia Tierra-Luna de forma muy precisa. Es unaforma maravillosa de aprender ms sobre la rbita de la Luna y verificar lasteoras sobre la gravedad".Funciona de esta manera: un pulso de lser es lanzado desde un telescopio enla Tierra; ste cruza la distancia Tierra-Luna, e impacta en la matriz. Como losespejos son reflectores cbicos, envan el pulso de vuelta en la misma direccinen que lleg.. De vuelta a la Tierra, los telescopios interceptan el pulso deretorno, "usualmente slo un fotn".

El tiempo del viaje de ida y vuelta determina la distancia a la Luna con unaprecisin increble: menos de unos pocos centmetros sobre 385.000 km, enpromedio.

Apuntar a los espejos y recoger sus tenues reflexiones es un reto, pero losastrnomos lo han estado haciendo durante 35 aos. Un lugar clave deobservacin es el Observatorio McDonald en Texas donde un telescopio de 0.7metros alcanza regularmente a los reflectores del Mar de la Tranquilidad (Apolo11), Fra Mauro (Apolo 14), la fisura de Hadley (Apolo 15) y, a veces el Mar de laSerenidad. All existe un conjunto de espejos a bordo del vehculo lunarsovitico Lonokhud 2.

En realidad, el tiempo de ida y vuelta de unos 2 segundos, se ve afectado porel movimiento relativo de la Tierra y la Luna, la rotacin de la Tierra, libracinlunar, el tiempo, el movimiento polar, retardo de propagacin a travs de laatmsfera de la Tierra, el movimiento de la estacin de observacin debido almovimiento de las mareas y la corteza, la velocidad de la luz en varias partesdel aire y los efectos relativistas. La luz reflejada es demasiado dbil para ser visto con el ojo humano: de 1.017fotones dirigidos al reflector, slo uno ser recibida en la Tierra cada pocossegundos, incluso en buenas condiciones. Ellos pueden ser identificados comooriginarios del lser debido a que el lser es altamente monocromtica.

6 Resultados La rbita de la Luna se est alejando de la Tierra

a un ritmo de 3,8 centmetros por ao, debido alas mareas terrestres.

La Luna probablemente tiene un ncleo lquido. Eldescubrimiento, si se confirma, apoyara la teorade que la Luna fue el producto de una violentacolisin entre la Tierra en su infancia y un cuerpoceleste. Como fruto de la colisin se form unanillo de materia que termin concentrndose enla Luna

El anlisis de las oscilaciones sugera a finales delao pasado que existe un pequeo ncleofundido con un radio de hasta 375 kilmetros.Ahora, nuevas medidas y anlisis indican que noslo existe este ncleo fundido sino que alrededorhay una zona parcialmente fundida. El ncleofundido sera demasiado pequeo para explicarlos bultos.

Se ha acotado el error de la medida de laconstante gravitacional de Newton, por lo que lafuerza de la gravedad es muy estable. Laconstante gravitacional de Newton, G, ha cambiado menos de una cien mil-millonsima desde que el experimento del lser comenz.

Los fsicos tambin han empleado los resultados del lser para verificar lateora de Einstein de la gravedad, la teora general de la relatividad. Hastaahora todo est bien: las ecuaciones de Einstein predicen la forma de la rbitalunar tan exactamente cmo es posible determinarla con el lser.

Algunos fsicos creen que su teora de la relatividad es defectuosa. Si existealgn defecto, la medicin lunar por lser podra encontrarlo.

icin lunar por laser desde elObservatorio McDonald

Adems, los cientficos esperan que una mayor precisin de las medidaspermita explicar la expansin del universo. La misma fuerza que esresponsable de la aceleracin del universo puede detectarse en el sistemaLuna-Tierra'.

Los reflectores han proporcionado algunas de las mejores pruebas de larelatividad general y la gravedad, en general, incluyendo las mejores pruebasdel principio de equivalencia fuerte, la tasa de variacin de la constante degravitacin; la veracidad de la ley del inverso del cuadrado de la gravitacin; elgravitomagnetismo; y la precesin geodsica

7 Futuros experimentos La NASA y la Fundacin Nacional para la Ciencia (NSF) estn financiando unanueva instalacin en Nuevo Mxico, llamada Operacin de Medidas deDistancia a la Luna por Radar desde el Observatorio en Apache Point (ApachePoint Observatory Lunar Laser Ranging Operation o, apropiadamente,"APOLLO" para abreviar). Utilizando un telescopio de 3,5 metros con buena"visin" atmosfrica, los investigadores examinarn la rbita de la Luna conprecisin milimtrica, 10 veces mejor que anteriormente. Ms y mejores datospodran revelar extraas fluctuaciones en la gravedad, correcciones a Einstein,o el "chapoteo" del ncleo de la LunaPor otro lado El Lunakhod 1, en virtud de su ubicacin, sera el ms idneo paramejorar la comprensin del ncleo lquido lunar, y para producir unaestimacin precisa de la posicin del centro de la Luna, que es de sumaimportancia en el registro de la rbita y para poner la gravedad de Einstein aprueba.Tambin se estn desarrollando reflectores mas eficientes teniendo en cuentalas nuevas tecnologas con materiales que tienen mas eficiencia ptica en lascondiciones de la Luna, con planes de futuras misiones para colocar estosretro-reflectores de nueva generacin en la Luna y tener medidas con masprecisin y poder probar teoras como la relatividad general con mayor certeza.

8 Anexos (imgenes)

9 Bibliografa Dickey, J., Bender, P., Faller, J., Newhall, X., Ricklefs, R., Ries, J., ... & Yoder, C. (1994).

Lunar laser ranging: A continuing legacy of the Apollo program. Bender, P. L., Currie, D. G., Poultney, S. K., Alley, C. O., Dicke, R. H., Wilkinson, D. T., ... &

Williams, J. G. (1973). The Lunar Laser Ranging Experiment Accurate ranges have given a large improvement in the lunar orbit and new selenophysical information. Science, 182(4109),229-238.

Currie, D. G., Cantone, C., Carrier, W. D., Dell'Agnello, S., Delle Monache, G., Murphy, T., ... & Vittori, R. (2008). A lunar laser ranging retro-reflector array for the 21st Century. LPI Contributions, 1415, 2145.

Turyshev, S. G., Williams, J. G., Folkner, W. M., Gutt, G. M., Baran, R. T., Hein, R. C., ... & Wang, S. (2013). Corner-cube retro-reflector instrument for advanced lunar laser ranging. Experimental Astronomy, 36(1-2), 105-135.

Laser Ranging Retro-ReflectorLaser Ranging Retro-Reflector1 Introduccin2 Historia3 Objetivos del experimento4 Aspectos tcnicos5 Funcionamiento6 Resultados7 Futuros experimentos8 Anexos (imgenes)9 Bibliografa