月亮距離我們有多遠(yuǎn)？科學(xué)家告訴你到月球要幾步

　　1月22日晚，中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)應(yīng)用天文研究團(tuán)組的研究人員成功地接收到了月球激光測(cè)距的回波信號(hào)，這是中國(guó)人首次成功利用激光精確地測(cè)量地球距月球的距離。

　　自古以來(lái)，人們對(duì)夜空中的月亮就充滿了好奇、向往與贊美，關(guān)于月亮的各種神話傳說(shuō)、詩(shī)詞歌賦數(shù)不勝數(shù)。當(dāng)人們“舉頭望明月”時(shí)，可能會(huì)思考這樣一個(gè)問(wèn)題：月亮到底距離地上的我們有多遠(yuǎn)呢?

　　在現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)誕生前，最常用的測(cè)量地月距離的方法是視差法。最早有記錄的測(cè)量地月距離的是公元前四世紀(jì)時(shí)古希臘的天文學(xué)家，通過(guò)觀測(cè)月蝕的幾何位置，結(jié)合三角法計(jì)算出地月距離大約是59—67倍地球半徑。此后，人類利用包括掩星法和雷達(dá)等在內(nèi)的各種方法嘗試測(cè)量地月距離，但測(cè)量精度都不高。

　　到了20世紀(jì)60年代，在實(shí)施登月計(jì)劃之前，美蘇開(kāi)始進(jìn)行激光測(cè)月試驗(yàn)，但當(dāng)時(shí)只能測(cè)量月面漫反射回波，測(cè)量精度十分有限。1969年7月21日，美國(guó)阿波羅11號(hào)登月成功，人類第一次踏上了月球的表面，登月宇航員帶了一個(gè)激光后向反射器陣列(Apollo11，圖1)，并將其放置在月面預(yù)定位置上。成功登月僅數(shù)日之后，美國(guó)人即測(cè)到了來(lái)自 Apollo11 反射器的激光測(cè)距回波信號(hào)。

　　此后，美國(guó)利用阿波羅登月任務(wù)相繼在月面不同位置放置了 Apollo14、Apollo15 角反射器陣列，前蘇聯(lián)先后利用月球車(chē) Luna17 號(hào)與 Luna21 號(hào)在月面安置了 Lunakhod17 和 Lunakhod21 反射器陣列，月面上共有5個(gè)可供進(jìn)行激光測(cè)月的角反射器陣列(如圖2)。從此，月球激光測(cè)距 LLR(Lunar Laser Ranging)成為了最精準(zhǔn)的地月距離測(cè)量手段。

　　圖1 Apollo11反射器陣列

　　圖2 月面反射器分布

　　之后的幾十年里，陸續(xù)有法國(guó)、意大利、德國(guó)等的多家測(cè)站進(jìn)行過(guò)激光測(cè)月相關(guān)研究(如圖3)，但是由于各種原因，能夠成功的只有極少數(shù)測(cè)站。近幾年，能夠進(jìn)行常規(guī)激光測(cè)月的只有法國(guó) Grasse 測(cè)站、意大利 Matera 測(cè)站以及美國(guó)APOLLO(ApachePoint Observatory Lunar Laser-ranging Operation)測(cè)站。

　　圖3 開(kāi)展激光測(cè)月研究的測(cè)站

　　LLR 作為最精確的地月距離測(cè)量手段至今已有近50年，其原理十分簡(jiǎn)單，即由地面測(cè)站向目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，測(cè)量激光脈沖的往返飛行時(shí)間，結(jié)合光速，從而計(jì)算出地面測(cè)站與目標(biāo)之間的距離。但是，一座完整的 LLR 的地面站主要包括望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、光路系統(tǒng)、光子探測(cè)系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)，這是一項(xiàng)涉及多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜的精密技術(shù)。

　　圖4 激光測(cè)月原理示意圖

　　LLR 的觀測(cè)資料對(duì)天文地球動(dòng)力學(xué)、地月科學(xué)、月球物理學(xué)和引力理論等諸多科學(xué)研究有著重要的價(jià)值，如測(cè)定月球的形狀、大小以及表面特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引力理論和廣義相對(duì)論效應(yīng)的檢驗(yàn)，等效原理的驗(yàn)證，萬(wàn)有引力常數(shù)的變化以及日月系統(tǒng)潮汐等。隨著 LLR 資料的精度越來(lái)越高(目前為亞厘米級(jí))，科學(xué)研究結(jié)果的準(zhǔn)確性也在不斷提高，LLR 資料可用于研究的科學(xué)領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。

　　我國(guó)的衛(wèi)星激光測(cè)距工作始于1972年，至今已經(jīng)歷了從第一代到第三代的發(fā)展過(guò)程。中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)應(yīng)用天文研究團(tuán)組多年來(lái)一直深耕月球激光測(cè)距的相關(guān)研究。得益于近年來(lái)國(guó)產(chǎn)大功率激光器的產(chǎn)生(美國(guó)的高性能激光器一直對(duì)中國(guó)禁運(yùn))和云南天文臺(tái)1.2米望遠(yuǎn)鏡硬件的升級(jí)，還有科研人員在多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)如收發(fā)轉(zhuǎn)鏡的研制與控制、望遠(yuǎn)鏡的精確跟蹤指向模型、月面特征識(shí)別、極微弱信號(hào)識(shí)別等方面的突破，云南天文臺(tái)終于具備了激光測(cè)月成功的軟硬件。他們?cè)?017年11月先后多次進(jìn)行了地面靶測(cè)距實(shí)驗(yàn)、低軌衛(wèi)星測(cè)距試驗(yàn)、中高軌衛(wèi)星測(cè)距試驗(yàn)、同步衛(wèi)星測(cè)距試驗(yàn)。2018年1月22日、23日，云南天文臺(tái)連續(xù)測(cè)到了來(lái)自月面接收器的幾個(gè)回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)月球激光測(cè)距從無(wú)到有的突破。

　　月球激光測(cè)距的成功將促進(jìn)我國(guó)在地月科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究，加深我國(guó)對(duì)月球的認(rèn)識(shí)。月球激光測(cè)距技術(shù)由于其測(cè)量精度高的特點(diǎn)，將能夠?yàn)槲覈?guó)引力波探測(cè)計(jì)劃提供技術(shù)驗(yàn)證與支持。最重要的是高精度的地月距離測(cè)量，可以為我國(guó)的嫦娥探月工程做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)，相信在不久的將來(lái)，中國(guó)人的嫦娥奔月將由神話變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。隨著中國(guó)的科技發(fā)展與進(jìn)步，月球激光測(cè)距技術(shù)將有機(jī)會(huì)給未來(lái)的深空探測(cè)衛(wèi)星保駕護(hù)航。