&bala; Física 18, 124
Um pesquisador descreve um caminho para precisão sem precedentes para medições da distância da lua usando um laser contínuo e não pulsado.
As medidas de alta precisão da distância da terra-lua desempenham um papel elementary nos estudos da geologia lunar e nos testes de relatividade geral. Os sistemas de ponta usam lasers pulsados e atingem precisão de 5 a ten mm, mas agora um pesquisador propôs um caminho para uma precisão significativamente maior, substituindo pulsos a laser por um feixe de alta potência contínuo (1). Ele acredita que o novo método pode atingir a precisão do submilimétrico nos próximos anos, oferecendo uma técnica para investigar detalhes ocultos do inside lunar ou mesmo para detectar ondas gravitacionais de frequência de ultralow.
A melhor técnica atual para medir a distância Terra -lua envolve o envio de um pulso a laser para a superfície lunar. A partir daí, reflete de um chamado refletor de canto, que envia fótons de volta na direção da qual eles vieram. O tempo que a viagem de ida e volta do pulso dá distância.
O feixe pode ter quilômetros de largura quando atingir a lua, de modo que o tamanho do refletor determina a quantidade de luz refletida. Um refletor menor aumenta a precisão porque reduz várias fontes de erro, incluindo erros decorrentes da ochau da lua. Mas há uma troca: um refletor menor retorna menos fótons, o que reduz a relação sinal / ruído. Os refletores mais recentes-alguns foram colocados na lua em março pela missão Fantasma Azul-têm apenas 10 cm de diâmetro, então retornam talvez 1% tantos fótons quanto os modelos anteriores de escala de medidores.
“Os sistemas pulsados de hoje retornam apenas alguns fótons por pulso, limitando a precisão variante a 5 a ten mm”, diz Slava Turyshev, da Caltech. Como alternativa, a Turyshev agora propõe o uso de uma técnica de medição diferente com um laser de onda contínua de alta potência. Ele estima que esse sistema, empregando um laser de quilowatt, poderia permitir a coleta de luz em um intervalo até 100 segundos. Isso poderia aumentar o número de fótons retornados em um fator de 10.000, potencialmente atingindo a precisão do sub-milímetro ou mesmo de dezenas de micrômetro.
NASA
Um sistema de alcance de onda contínua mediria a distância codificando um sinal usando técnicas familiares das ondas de rádio-modulação de amplitude (AM) ou modulação de frequência (FM). Ao comparar o sinal refletido com um laser native de “referência”, as técnicas padrão de processamento de sinal permitem a estimativa do atraso de tempo experimentado pela luz refletida na lua.
A percepção de precisão preferrred nesse sistema exigirá a superação de uma série de obstáculos técnicos, mas parece eminentemente plausível, observa Turyshev. Um dos principais desafios é superar as distorções provenientes da turbulência atmosférica, que pioram em tempos de coleta de luz mais longos. A turbulência na atmosfera da Terra pode alterar os comprimentos dos caminhos leves por dezenas a centenas de micrômetros. A superação desse problema, diz Turyshev, exigirá correções desses erros, em parte através de um monitoramento melhorado em tempo actual da temperatura, pressão e gradientes de umidade na atmosfera. Ele também calcula que medições simultâneas de laser em vários comprimentos de onda – que poderiam ajudar os pesquisadores a monitorar as propriedades ópticas da atmosfera – poderia reduzir os erros em um fator de 10 ou mais.
Outro desafio é gerenciar desvios mecânicos e expansão térmica. Vibrações e pequenas alterações de temperatura podem mudar os telescópios, espelhos ou bancos ópticos por micrômetros, que podem introduzir erros na codificação de sinal óptico AM ou FM. A superação desses problemas, argumenta Turyshev, deve ser viável com o uso sistemático de ópticas e montagens extremamente estáveis construídos a partir de materiais termicamente não sensíveis. Como alternativa, a temperatura do equipamento óptico pode ser controlado ativamente para limitar as variações a 0,1 ° C, por exemplo, usando o resfriamento de água refrigerada.
Finalmente, a óptica e eletrônica avançados envolvidos na obtenção de tal precisão exigirão extrema precisão no tempo e na estabilidade de alta frequência para os lasers de referência. “Essas referências de frequência terão para manter uma estabilidade fracionária inferior a uma parte em 10¹³ Durante todo o período de medição, que pode levar até 100 segundos, para obter uma precisão de algumas dezenas de micrômetros ”, diz Turyshev. Os desafios para alcançar essa precisão incluem compensação em tempo actual pelo movimento da lua em direção ou longe da Terra, que é de aproximadamente 1 quilômetro por segundo.
Conseguir os desafios descritos por Turyshev faria uma grande diferença para a ciência futura, diz Jürgen Müller, da Universidade de Leibniz Hannover, Alemanha, especialista na dinâmica da Lua da Terra. “Se o rastreamento lunar pudesse ser melhorado até o submilimétrico ou até dezenas de micrômetros (nível)”, diz ele, “alguém poderia fazer uma nova e agradável ciência”. Em explicit, Müller diz que sua equipe de pesquisa mostrou em simulações que a fronteira entre o núcleo lunar e o manto e a rotação do núcleo poderia ser muito mais com precisão. Turyshev espera que a precisão melhorada do variação lunar leve a testes mais rigorosos do princípio da equivalência da relatividade geral e a oportunidades para detectar o fundo de ondas gravitacionais (aleatórias) de baixa frequência de baixa frequência.
–Mark Buchanan
Mark Buchanan é um escritor de ciências freelancers que divide seu tempo entre Abergavenny, Reino Unido, e Notre Dame de Courson, França.
Referências
- SG Turyshev, “Laser lunar que varia com lasers de onda contínua de alta potência”. Phys. Rev. Appl. (2025).
