Siamo andati sulla Luna? Esperimenti di telerilevamento lunare

Internet pullula di siti che affermano di aver trovato le prove del "complotto lunare": lo sbarco dell'uomo sulla Luna, il più grande inganno di tutti i tempi! Ovviamente, la letteratura scientifica dimostra ampiamente che il complotto è una "bufala"... Ma c'è chi continua a crederci; per chi crede "solo se vede" sarà interessante scoprire che con le missioni Apollo 11, 14 e 15 sono stati installati sulla Luna dei retroriflettori laser di precisione. Grazie a questi strumenti passivi, con l'ausilio di un laser molto potente, è possibile ottenere un riflesso rilevabile a terra e misurare la distanza Terra-Luna. Abbiamo quindi almeno una prova di aver visitato il nostro satellite!

Introduzione

L'idea di realizzare un esperimento utilizzando il riflesso di un laser nello spazio risale agli anni '50; Robert Dicke, fisico sperimentale che lavorava a Princeton, pensò di usare questo metodo per verificare le piccole variazioni nella misura della costante gravitazionale G, tramite riflettori posti su satelliti. La possibilità di posizionare specchi sulla Luna fu suggerita sempre dall'Università di Princeton nel 1962. Solo a questo punto, grazie alla nascita del progetto Apollo ed allo sbarco sulla Luna, il progetto divenne realtà. Dopo qualche anno, anche i russi posizionarono dei retroriflettori sulla Luna, tramite le missioni (senza equipaggio) Luna 17 e Luna 21; nella figura 1 abbiamo appunto la foto di un modello del rover trasportato dalla missione Luna 21.

Figura 1: Foto di un modello del Lunokhod 2

Figura 1: Foto di un modello del Lunokhod 2

Dal posizionamento del primo specchio da parte dell'Apollo 11, per circa 40 anni, l'esperimento LRR Lunar Laser Ranging ci ha permesso di effettuare misure per la determinazione dell'orbita lunare, della fisica della Luna ed ci ha dato la possibilità di effettuare test della teoria della relatività.

Primi strumenti ed esperimenti

Figura 2: il retroriflettore posizionato dagli astronauti dell'Apollo 11

Figura 2: il retroriflettore posizionato dagli astronauti dell'Apollo 11

Il pacchetto riflettore Apollo 11 conteneva 100 solidi riflettori angolari di silice fuso montato in lastre di alluminio quadrate di 46 cm; possiamo vedere il modulo in figura 2. I riflettori hanno 3,8 cm di diametro e sono incassati nei fori circolari nel pannello per questioni di controllo termico. Il pannello riflettore può essere inclinato in modo che punti all'incirca verso la terra ed in maniera da massimizzare l'area della sezione trasversale efficace; in figura 3 abbiamo lo schema di questo strumento. Sono stati realizzati in questo modo in quanto un primo studio progettuale aveva rilevato che questa configurazione sarebbe stata in grado di mantenere le prestazioni al limite di diffrazione, anche sotto l'illuminazione solare diretta e nonostante i forti sbalzi di temperatura sulla superficie lunare. È stato importante pensare di utilizzare questi strumenti sia durante il giorno che durante la notte lunare; se non si fossero avuti questi accorgimenti ci sarebbe stata una perdita di dati durante le fasi di illuminazione parziale della Luna.

Figura 3: Schema del retroriflettore installato dalla missione Apollo 11

Figura 3: Schema del retroriflettore installato dalla missione Apollo 11

A causa delle librazioni ottiche della Luna (le rotazioni apparenti del nostro satellite causate dall'osservazione effettuata da diverse direzioni in momenti diversi) la luce trasmessa dalla Terra può colpire i riflettori con angoli fino a 11 ° rispetto al normale. Lo spot illuminato sulla Luna ha in genere da 4 a 6 chilometri di diametro, ma poiché ogni riflettore angolare invia la luce che colpisce quasi verso la stessa direzione da cui proviene, il segnale di ritorno alla terra ha un'intensità da 10 a 100 volte più grande della intensità che abbiamo sulla superficie lunare. Nonostante ciò, il segnale è rilevabile solo grazie ad un fotomoltiplicatore.

Per inviare i primi segnali si è utilizzato un laser al rubino, che inviava impulsi di decine di nanosecondi, con energie di circa 7 joule per impulso e tempi di ripetizione di 3 a 30 secondi. Ogni raggio laser è stato allineato in modo tale che sembrasse divergere dal fuoco Coudé del telescopio e riempire l'apertura. Il fuoco Coudé si ottiene mediante uno specchio secondario con un forte ingrandimento; in pratica si utilizza in caso di lunghe distanze focali; è stato usato questo fuoco poiché rimane fisso rispetto alla Terra, anche se si punta il telescopio in direzioni diverse; così il laser e l'elettronica non avevano la necessità di muoversi con il telescopio. Utilizzando il telescopio per ridurre la divergenza del fascio laser originale, è stato possibile produrre un fascio con circa 2 secondi d'arco divergenza angolare e illuminare un piccolo punto sulla Luna. Dal momento che la divergenza del fascio era vicino al limite della turbolenza atmosferica, è stata necessaria molta attenzione per garantire che il fosse puntato verso le corrette coordinate della superficie lunare.

Figura 4: Lick Observatory

Figura 4: Lick Observatory, Monte Hamilton

I dati provenienti da queste prime attrezzature passive poste sulla Luna furono inizialmente studiati dal Lick Observatory dell'Università della California, di cui possiamo vedere una foto in figura 4. Il telescopio principale del Lick, che ha un diametro di 3 metri ed è situato sul Monte Hamilton in California; è stato reso disponibile per il periodo di acquisizione iniziale subito dopo l'atterraggio dell'Apollo 11. Poco tempo dopo, i segnali di ritorno sono stati ottenuti con un elevato livello di confidenza anche all'Osservatorio McDonald dell'Università del Texas. Quindi sono state eseguite misurazioni anche dal Ranging Observatory Air Force Cambridge Research Laboratories Lunar in Arizona, il Pic du Midi Observatory in Francia e l'Osservatorio Astronomico di Tokyo in Giappone.

Strumentazioni successive

Figura 5: Posizionamento dei vari array A: Apollo L: Luna

Figura 5: Posizionamento dei vari array
A: Apollo 11,14 e 15
L: Luna 17, 21

Altri pannelli riflettenti supplementari sono stati collocati sulla superficie lunare già dall'anno seguente al primo sbarco sulla Luna (Figura 5). Il primo set supplementare era un pacchetto francese di 14 riflettori di vetro ad angolo, posizionati dalla sonda sovietica Luna 17 nel 1970. Purtroppo è andato perso nel 1971, e ritrovato solo grazie al Lunar Reconnaissance Orbiter della NASA nel 2010.
Altri array di riflettori sono stati posizionati dall'Apollo 14 e dall'Apollo 15. I catadiottri utilizzati in entrambe le matrici erano simili a quelli impiegati per Apollo 11, come possiamo vedere dalle figure 6, 7 ed 8. Il disegno complessivo della matrice Apollo 14 è simile a quella per Apollo 11, ed il numero di riflettori è lo stesso. L'array dell'Apollo 15, invece, contiene 300 riflettori ad angolo montati in una disposizione esagonale; le dimensioni complessive sono 104 cm per 61 cm. Questo pannello è grande tre volte rispetto agli altri set americani e, per questo motivo, è stato utilizzato per tre quarti delle osservazioni effettuate per i primi 25 anni.

Figura 6: Array posizionato dall'Apollo 14

Figura 6: Array posizionato dall'Apollo 14

 

Figura 8: Foto dell'array posizionato dall'Apollo 15

Figura 7: Foto dell'array posizionato dall'Apollo 15

 

Figura 7: LRR posizionato dall'Apollo 15

Figura 8: Schema del LRR posizionato dall'Apollo 15

 

L'ultimo array è stato posizionato dal Luna 2 sovietico nel 1973. Entrambi i set russi non sono stati progettati tenendo conto del giorno lunare, quindi gli unici pannelli in grado di funzionare in questo periodo sono quelli americani.

Anche gli specchi invecchiano

Dal 2006 è in corso il primo studio dell'impatto dell'ambiente lunare a lungo termine sulla strumentazione lasciata sulla Luna; i recenti dati raccolti dall'Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation (APOLLO), di cui abbiamo un esempio in figura 9, suggeriscono infatti un deterioramento delle attrezzature dovuto all'età. Una sessione di osservazione tipica coinvolge il set scaricato dall'Apollo 15, ed ha una durata che va dai quattro agli otto minuti. Ogni shot laser invia circa 1017 fotoni verso la Luna, ma può essere rilevato un solo fotone di ritorno! Questo è il motivo per cui il laser viene sparato migliaia di volte ad una frequenza di ripetizione di 20 Hz durante ogni osservazione.

Figura 9: fotoni rilevati dall'APOLLO l'8/12/2015

Figura 9: fotoni rilevati dall'APOLLO l'8/12/2015

Se il segnale di ritorno dall'LRRR dell'Apollo 15 è buono, il laser viene sparato anche al set di riflettori dell'Apollo 11 e 14. Il laser può anche essere indirizzato al russo Lunokhod 2, ma questo riflettore non restituisce un segnale affidabile se si trova in una zona illuminata.

Una revisione dei dati attuali e storici di tutti gli array ha rivelato purtroppo un notevole calo delle prestazioni ad ogni Luna piena. Il problema infatti è che i riflettori sono rivolti direttamente verso la terra, e  sperimentano quindi la forte luce del sole anche con la Luna piena.

Gli effetti del riscaldamento sono sicuramente coinvolti nella degradazione delle prestazioni delle LRRs, ma anche la polvere lunare è un probabile candidato; questa osservazione sarebbe coerente con il degrado molto graduale delle prestazioni. I risultati ottenuti con la strumentazione APOLLO potrebbero richiedere un'attenta considerazione durante la progettazione di dispositivi ottici futuri destinati a rimanere sulla superficie lunare per lunghi periodi.

C'è una nota positiva: tutti i riflettori, tra cui quello del Lunokhod 2 funzionano ancora ad un certo livello.

Misure

Figura 10: Facility del Goddard Spaceflight Center LRR

Figura 10: Facility del Goddard Spaceflight Center LRR

La distanza dalla Terra alla Luna è calcolata approssimativamente con l'equazione:

d = (c* t)/2

con d: distanza Terra - Luna, c: velocità della luce, t: tempo impiegato dal riflesso del laser a raggiungere la Terra. Questa formula però è valida solo in prima approssimazione; in realtà il "viaggio" del raggio laser, che in figura 10 vediamo partire dal Goddard Space Center, è influenzato da effetti relativistici, dalle condizioni atmosferiche e dal ritardo di propagazione attraverso l'atmosfera. Inoltre bisogna considerare anche gli effetti del moto relativo Terra - Luna, la rotazione terrestre, la librazione lunare e il movimento tettonico della crosta terrestre al di sotto della stazione di telerilevamento. La questione non è semplice!

Il raggio di ritorno impiega circa 2 secondi e mezzo per tornare al punto di partenza; poichè il laser emette luce monocromatica, i fotoni di ritorno possono essere identificati. Ma ovviamente sono troppo deboli per essere visti ad occhio nudo: anche nelle condizioni migliori, solo uno su 1017 fotoni emessi viene ricevuto a terra. Quindi serve uno strumento che amplifichi un segnale, come un fotomoltiplicatore. Nonostante tutti questi problemi, la distanza Terra - Luna misurata con le strumentazioni passive è risultata la più precisa mai effettuata dall'uomo; dal 2002 le misure ottenute hanno l'accuratezza del millimetro, nonostante il degrado dei pannelli.

Alcuni risultati

L'esperimento Ranging Retroreflector Laser ha prodotto molte misure importanti. Tra questi abbiamo un'accurata conoscenza dell'orbita lunare che ha permesso di datare con precisione tutte le eclissi che si sono verificate da 3400 anni fa ad oggi. I risultati includono inoltre la misura della velocità con cui la Luna si sta allontanando dalla Terra (attualmente 3,8 centimetri all'anno) e la conoscenza delle variazioni nella rotazione della Luna. Le variazioni nella rotazione sono legate alla distribuzione di massa all'interno Luna e implicano l'esistenza di un piccolo nucleo, con un raggio inferiore a 350 km, leggermente inferiore ai limiti imposti dagli esperimenti sismici e dal magnetometro usati sulla Luna; possiamo vedere la probabile struttura interna della Luna alla figura 11. Queste misure hanno anche migliorato la nostra conoscenza dei cambiamenti della velocità di rotazione della Terra e del moto di precessione del suo asse di rotazione e sono stati utilizzati per testare la Teoria della Relatività di Einstein.

Figura 11: Struttura interna della Luna

Figura 11: Struttura interna della Luna

In conclusione, grazie alle misure a lungo termine di telerilevamento lunare è stato possibile ricavare i seguenti risultati:

  • La Luna si sta allontanando dalla Terra lungo al ritmo di 38 mm per anno, seguendo una traiettoria a spirale.
  • E' probabile che la Luna abbia un cuore liquido, con un raggio di circa il 20% del raggio lunare.
  • La forza di gravità universale è molto stabile; gli esperimenti hanno stimato che dal 1969 la costante gravitazionale G è variata al massimo di una parte su 1011.
  • La teoria della gravità derivata dalla teoria della Relatività Generale sta predicendo l'orbita lunare all'interno dei livelli di accuratezza delle attuali misurazioni laser.

Un fenomeno di particolare interesse in relazione con il movimento polare è un'oscillazione dell'asse della Terra attorno all'asse di rotazione, con un periodo di circa 14 mesi. Questo moto, chiamato oscillazione di Chandler, sarebbe dovuto terminare con il tempo, e l'asse di oscillazione si sarebbe dovuto allineare con l'asse di rotazione, se non ci fosse stato qualcosa ad eccitarlo; qualcuno ha suggerito che l'eccitazione sia causata dai grandi terremoti che cambiano in modo significativo le proprietà inerziali della Terra, ma non si ha ancora certezza di cosa si tratti.

Conclusioni

A volte si crede che gli esperimenti scientifici abbiano una breve durata; nessuno pensa che un esperimento possa durare più di 40 anni! Tuttavia, questo non è l'unico caso in cui si sono effettuate misure per così lungo tempo: basti pensare alla sonda Voyager, anch'essa ancora in funzione ed ancora in viaggio dal 1977! I risultati di questi esperimenti sono sempre sorprendenti. Tendiamo a dimenticare di cosa siamo capaci! Inoltre la storia della scienza mostra molti casi di fenomeni sconosciuti scoperti tramite il sensibilmente miglioramento della precisione delle misurazioni. Chissà se in futuro avremo delle nuove scoperte da "vecchi" esperimenti!

Bibliografia

  • http://www.physics.ucsd.edu/~tmurphy/apollo/doc/Bender.pdf
  • http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1003/1003.0713v1.pdf
  • http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2004/21jul_llr/

 

 

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8 Commenti

  1. briand06 briand06 26 Gennaio 2020
  2. zoomx 29 Gennaio 2020
  3. giulioelettronica giulioelettronica 29 Gennaio 2020
  4. briand06 briand06 29 Gennaio 2020
  5. ZOPDAR ZOPDAR 29 Gennaio 2020
  6. giulioelettronica giulioelettronica 29 Gennaio 2020
  7. santelectronic santelectronic 2 Febbraio 2020
  8. Maila Agostini 20 Maggio 2020

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