由美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的朗尼·谢赫曼设计 艺术家对美国宇航局月球勘测轨道飞行器的渲染
信用:美国宇航局戈达德太空飞行中心 在过去的十年中，美国国家航空航天局的科学家已经向距离地球约24万英里(38.5万公里)的平装小说大小的反射镜发射了数十次激光束
他们今天宣布，与他们的法国同事合作，他们第一次收到了信号，这是一个令人鼓舞的结果，可以增强用于研究宇宙物理的激光实验
美国宇航局科学家瞄准的反射器安装在月球侦察轨道器(LRO)上，这是一个自2009年以来一直从月球轨道研究月球的航天器
工程师将反射器放置在LRO的一个原因是，它可以作为一个原始的目标，帮助测试大约50年前留在月球表面的面板的反射能力
这些旧的反射器正在返回微弱的信号，这使得它们更难用于科学研究
自阿波罗时代以来，科学家们就一直在月球上使用反射镜来了解我们最近的邻居
这是一个相当简单的实验:将一束光对准反射镜，并记录光返回所需的时间
几十年来，这种测量方法已经有了重大发现
最大的启示之一是，地球和月球正以指甲生长的速度慢慢分离
5英寸(3
8厘米)
这种不断扩大的差距是两个天体之间引力相互作用的结果
“既然我们已经收集了50年的数据，我们就能看到否则我们无法看到的趋势，”埃尔温·马扎里科说，他是美国宇航局戈达德太空飞行中心的行星科学家，负责协调8月7日发表在《地球、行星和太空》杂志上的LRO实验
“激光测距科学是一个漫长的游戏，”马扎里科说
1971年阿波罗14号宇航员在月球上部署的激光反射板的特写照片
信用:NASA 但是，如果科学家要在未来很长时间内继续使用表面面板，他们需要弄清楚为什么其中一些面板只返回了预期信号的十分之一
月球上有五块反射板
阿波罗11号和14号分别于1969年和1971年交付了两枚
它们每个都由100面镜子组成，科学家称之为“角立方体”，因为它们是玻璃立方体的角；这些镜子的好处是它们可以将光线反射回任何方向
1973年，阿波罗15号宇航员将另一块有300个角立方体的面板放下
1970年和1973年着陆的苏联机器人漫游车Lunokhod 1号和2号携带两个额外的反射镜，每个反射镜有14面
总的来说，这些反射镜构成了阿波罗时代最后一个有效的科学实验
一些专家怀疑，随着时间的推移，灰尘可能已经沉积在这些反射器上，可能是在被月球表面的微陨石撞击激起之后
因此，灰尘可能会阻挡光线到达镜子，还会使镜子绝缘，导致它们过热，效率降低
科学家希望利用LRO的反射镜来确定这是否属实
他们认为，如果他们发现从LRO反射镜返回的光线与表面光线有差异，他们可以使用计算机模型来测试灰尘或其他东西是否是造成这种情况的原因
不管是什么原因，科学家可以在他们的数据分析中解释这一点
尽管他们首次成功地进行了激光测距实验，但马扎里科和他的团队还没有解决尘埃问题
研究人员正在改进他们的技术，以便收集更多的测量数据
向月球发射光子束并将其收回的艺术 与此同时，尽管信号较弱，科学家们继续依靠表面反射器来学习新事物
这张照片显示了位于马里兰州格林贝尔特的戈达德地球物理和天文观测站的激光测距设施
该设施帮助美国宇航局跟踪轨道卫星
显示的两束光来自两种不同的激光，指向绕月球运行的美国宇航局月球侦察轨道飞行器
在这里，科学家们使用可见的绿色波长的光
位于法国格拉斯的蓝色大学的激光设备开发了一种新技术，利用人眼不可见的红外光向月球发射激光
信用:NASA 通过测量激光反弹需要多长时间——大约2
平均5秒——研究人员可以计算出地球激光站和月球反射器之间的距离，小到不到一英寸，或者几毫米
这大约是橘子皮的厚度
除了地月漂移之外，这种长时间跨越几个反射器的测量揭示了月球有一个流体核心
科学家可以通过监测月球旋转时最轻微的抖动来判断
但是他们想知道在那种流体中是否有一个固体核心，研究月球内部结构的美国国家航空航天局戈达德太空总署科学家毗湿奴·维斯瓦纳坦说
维斯瓦纳坦说:“了解月球内部有更大的意义，包括月球的进化，解释其磁场的时间以及它是如何消失的。”
对阿波罗宇航员返回的月球样本进行的磁性测量揭示了一件没有人预料到的事情:我们的卫星几十亿年前就有磁场
科学家们一直试图弄清楚月球内部是什么产生了它
激光实验可能有助于揭示月球核心是否有固体物质能够为现已灭绝的磁场提供能量
但是要了解更多，科学家首先需要知道地球站和月球反射器之间的距离，其精确度要高于目前的几毫米
曾帮助设计LRO反射器的戈达德行星科学家孙晓丽说:“这一测量的精度有可能完善我们对重力和太阳系演化的理解。”
例如，让更多的光子往返月球，并更好地解释因尘埃而丢失的光子，是帮助提高精度的两种方法
但这是一项艰巨的任务
宇航员埃德温·E
小奥尔德林
在1969年阿波罗11号的舱外活动中，登月舱驾驶员在月球表面部署了早期阿波罗科学实验包的两个组件
他左手拿着一个地震实验，右手拿着一个激光反射面板
宇航员尼尔·阿
任务指挥官阿姆斯特朗拍了这张照片
信用:美国宇航局约翰逊航天中心 考虑表面面板
科学家必须首先精确定位每一颗卫星的精确位置，它随着月球的轨道不断变化
然后，激光光子必须穿过地球厚厚的大气层两次，这往往会散射它们
因此，从地面上大约10英尺或几米宽的光束开始，当它到达月球表面时，可以扩展到1英里或2公里，当它反弹回来时，会变得更宽
这意味着从地球发射的光子到达阿波罗11号反射器的几率为2500万分之一
根据一些估计，对于少数几个成功到达月球的光子来说，它们重返月球的几率更低，只有2.5亿分之一
如果这些可能性令人望而生畏，到达LRO的反射镜就更具挑战性了
首先，它只有较小的阿波罗11号和14号面板的十分之一大，只有12个角镜
它还附着在一个小型汽车大小的快速移动目标上，这个目标离我们的距离是迈阿密离西雅图的距离的70倍
激光站的天气也会影响光信号，就像太阳、月亮和地球的排列一样
这就是为什么尽管在过去的十年里美国宇航局戈达德的科学家们进行了几次尝试，但直到他们与法国研究人员合作后，他们才能够到达LRO的反射器
到目前为止，他们的成功是建立在使用先进技术的基础上的，该技术是由蓝色大学的戈阿祖尔团队为法国格拉斯的一个激光站开发的，该激光站可以在LRO发射红外波长的光
使用红外光的一个好处是，它比科学家传统上使用的可见绿色波长的光更好地穿透地球的大气层
但是，即使有红外光，格拉斯望远镜在2018年和2019年的几个日子里，在LRO发射的数万个脉冲中，只接收到大约200个光子，马扎里科和他的团队在他们的论文中报告说
这可能看起来不多，但随着时间的推移，即使几个光子也能帮助回答表面反射器尘埃的问题
激光束的成功返回也显示了使用红外激光精确监测地球和月球轨道的前景，以及使用许多小型反射器——也许安装在美国宇航局的商用月球着陆器上——来实现这一目标的前景
这就是为什么一些科学家希望看到新的和改进的反射器被发送到月球的更多区域，这也是美国宇航局正在计划的
其他人则呼吁在全球范围内建立更多装备红外激光的设施，这些激光可以从不同角度向月球发射脉冲，从而进一步提高距离测量的精度
科学家说，像这样的激光测距新方法可以确保这些基础研究的遗产将继续下去
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