عاكس ليزري لتحديد المدى

📅 آخر تحديث: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

يُعدّ عاكس الليزر لتحديد المدى ( LRRR ) أول تجربة ليزرية قابلة للنشر لقياس المدى على سطح القمر . حُمل هذا العاكس على متن أبولو 11 كجزء من حزمة التجارب العلمية المبكرة لأبولو، وعلى متن أبولو 14 وأبولو 15 كجزء من حزمة تجارب سطح القمر لأبولو (ALSEP). يتكون عاكس الليزر لتحديد المدى من سلسلة من العواكس الركنية المثبتة داخل لوحة. تُرسل أشعة الليزر من الأرض، فتنعكس عن العاكس ، ويمكن استخدام توقيت الإشارة العائدة لقياس المسافة من مصدر الإشارة إلى العاكس. ابتكر جيمس إي. فالر هذا العاكس عام 1961. وكان الباحث الرئيسي في التجربة في البداية كارول آلي من جامعة ميريلاند، والذي خلفه فالر لاحقًا.

خلفية

كان الدافع وراء استخدام العاكس الرجعي هو الرغبة في توفير أساس تجريبي أوسع لنظرية النسبية العامة ، وتحديدًا المشكلات التي ظهرت مع نظرية برانز-ديك للجاذبية. [ 1 ] كان فريق بحثي في ​​جامعة برينستون يستكشف إمكانية اختبار ثابت الجاذبية باستخدام عاكسات زاوية محمولة على أقمار صناعية. في ذلك الوقت، لم تكن أشعة الليزر قد طُوّرت، وكان هذا النهج سيتطلب استخدام أنابيب وميضية . [ 2 ] مع تطوير أول ليزر عامل في عام 1960 في مختبرات بيل ، لم تعد هذه التجربة مقتصرة على الأقمار الصناعية ، بل أصبح من الممكن أيضًا استخدام القمر ، القمر الطبيعي للأرض. [ 3 ]

ظهرت فكرة استخدام عاكس زاوية على سطح القمر عام 1961 على يد جيمس إي. فالر ، الذي كان حينها طالب دكتوراه. وقد صُممت هذه الفكرة مع وضع برنامج هبوط مركبة "سيرفيور" التابعة لناسا في الاعتبار، وتتلخص في عاكس زاوية مُثبّت داخل كرة مطاطية تُسقط من مركبة هبوط آلية ؛ وعند الهبوط، تعود الكرة إلى وضعها الطبيعي تلقائيًا وتُوجّه العاكس إلى الأعلى. وثّق فالر هذه الأفكار في مذكرة بعنوان "حزمة قمرية مُقترحة (عاكس زاوية على سطح القمر)"، ولكن نظرًا لحاجته إلى إكمال أطروحته، لم يتم تطوير الفكرة بشكل فوري. [ 3 ]

في عام 1962، جرت محاولات لتحديد المسافة بدقة حول القمر باستخدام الليزر دون عاكسات، وأبرزها محاولة لويس سمولين وجورجيو فيوكو من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . يستطيع سطح القمر تشتيت شعاع الليزر وإنتاج إشارة قوية بما يكفي لرصدها على الأرض، مما ينتج عنه قياسات دقيقة للمسافة في حدود 120 مترًا (390 قدمًا) . إلا أنه بعد ذلك، أصبحت تأثيرات التضاريس مشكلة، وعندما اقترنت بقوة إشارة ضعيفة ومتفرقة زمنيًا، لم يكن تشتت السطح كافيًا لغرض تحديد المسافة بدقة. [ 4 ] 

بعد اجتماعٍ ضمّ أعضاء هيئة التدريس وخريجي جامعة برينستون في اجتماع الجمعية الفيزيائية عام ١٩٦٤، تقرر اقتراح تجربةٍ قائمةٍ على هذا المفهوم على وكالة ناسا. وُضِعت خطط التجربة في ورقةٍ بحثيةٍ نُشرت عام ١٩٦٥، وقُدِّم الاقتراح إلى ناسا في وقتٍ لاحقٍ من ذلك العام. [ ٥ ] قاد هذا المشروع كارول آلي ، الأستاذ بجامعة ميريلاند، الذي جعله قربه من مقر ناسا مناسبًا لتولي دور الباحث الرئيسي للتجربة. في الوقت نفسه، شُكِّلت اللجنة الاستشارية لتجربة تحديد المدى القمري (LURE)، والتي ضمّت في عضويتها البارزة روبرت هـ. ديك ، وجيمس إي. فالر، وديفيد تود ويلكنسون ، وويليام م. كاولا ، وغوردون جيه إف ماكدونالد . [ ٦ ]

أداة

رسم تخطيطي لعكس الليزر لتحديد المدى

كان لا بد من تصميم التجربة بحيث تتحمل الظروف البيئية القاسية على سطح القمر. وتشمل هذه الظروف تقلبات كبيرة في درجات الحرارة، والإشعاع الكوني والشمسي ، والغبار القمري المتطاير نتيجة وصول ومغادرة مركبة أبولو القمرية . [ 4 ] وقد لاحظ فالر أن مجموعة من مكعبات عاكسة صغيرة القطر ستؤدي أداءً حراريًا أفضل من مكعب واحد أو أكثر من المكعبات الأكبر حجمًا ذات الكتلة نفسها. وكان هذا الأداء الحراري بالغ الأهمية لأن السيليكا المنصهرة، وهي المادة المحتملة للعواكس، تتشوه بصريًا عند تعرضها للحرارة من الطاقة الشمسية. [ 3 ] وكان هناك رغبة قوية في أن تعمل التجربة خلال النهار القمري لتجنب ضياع فرص جمع البيانات خلال النصف النهاري من كل شهر قمري . [ 5 ]

تألفت أجهزة أبولو 11 و14 من 100 عاكس زاوية صلب من السيليكا المنصهرة، مثبتة داخل لوحة مربعة الشكل طول ضلعها 45 سم (18 بوصة) . [ 6 ] أنتجت شركتا بيركن إلمر وبوكستون-بيل عواكس الزاوية، بينما تولت شركة آرثر دي ليتل تصميم وتصنيع حزمة المصفوفة . [ 6 ] يبلغ قطر كل عاكس 3.8 سم (1.5 بوصة) ، ويقع على عمق 1.9 سم (0.75 بوصة) أسفل السطح العلوي للوحة، ومثبت بين حلقتين من التفلون لتوفير حماية حرارية أكبر. [ 5 ] يمكن وضع اللوحة بزاوية ميل طفيفة لتحسين مساحة مقطعها العرضي. [ 5 ] يُمكّن العاكس من إعادة إشارة أقوى من 10 إلى 100 مرة مقارنةً بانعكاسها عن سطح القمر. [ 5 ] كان العمر الافتراضي المتوقع للتجربة أكثر من 10 سنوات. [ 6 ]      

المهام

أبولو 11

قام رائد الفضاء باز ألدرين ، من مهمة أبولو 11، بنشر جهاز قياس الانعكاس بعيد المدى (LRRR) على سطح القمر في 21 يوليو 1969. وتم نشر الجهاز على بُعد حوالي 18 مترًا (60 قدمًا) من المركبة القمرية إيجل . [ 5 ] قام ألدرين في البداية بمحاذاة وجه الجهاز بشكل تقريبي بحيث يكون مواجهًا للأرض، ثم استخدم ساعة شمسية لضبط المحاذاة بدقة أكبر. [ 1 ] استغرق نشر الجهاز حوالي 5 دقائق. [ 1 ] 

تم رصد الإشارات العائدة من سطح القمر بواسطة فرق من جامعة كاليفورنيا، وجامعة ويسليان ، ومركز غودارد لرحلات الفضاء في مرصد ليك ؛ ومن جامعة تكساس، وجامعة ماري ، ومركز غودارد في مرصد ماكدونالد . استُخدم تلسكوب مرصد ليك، الذي يبلغ قطره 3 أمتار (9.8 قدم)، في فترة رصد الإشارات الأولية مباشرةً بعد هبوط أبولو 11. أما تلسكوب مرصد ماكدونالد، الذي يبلغ قطره 2.7 متر (8 أقدام و10 بوصات)، فقد استُخدم كجزء من برنامج رصد طويل الأمد امتد لعدة سنوات. [ 5 ]   

استخدم كل موقع ليزرًا روبيًا خاصًا به بتقنية Q-switching لتوفير نبضات ليزرية، مدتها عشرات النانوثواني، وطاقتها حوالي 7 جول لكل نبضة. استُخدم كل تلسكوب لتقليل تباعد شعاع الليزر إلى ثانيتين قوسيتين فقط. [ 5 ] نتج عن ذلك وصول نبضات الليزر إلى القمر بقطر 1.6 كيلومتر (ميل واحد ) بدلًا من قطر 480 كيلومترًا (300 ميل) . [ 6 ] بلغ قطر الإشارة العائدة بعد رحلة كاملة من الأرض إلى القمر 16 كيلومترًا (10 أميال)، مما أدى إلى رصد 1.6 إلكترون ضوئي فقط لكل نبضة ليزر بواسطة التلسكوب. [ 6 ]      

لتجنب المخاطر التي قد يتعرض لها مشغلو التلسكوب، استُخدم نظام رؤية إلكتروني للحد من المخاطر التي يشكلها ضوء الليزر المتناثر على العين البشرية. [ 1 ] وقد أدى ذلك إلى فوائد إضافية، مثل زيادة التباين المرئي، مما مكّن من تحديد المعالم خلال النهار على الأرض. [ 1 ] ونتيجةً للمخاوف بشأن احتمال حدوث اضطراب في حركة الطائرات القادمة إلى مطارات منطقة خليج سان فرانسيسكو القريبة ، قامت إدارة الطيران الفيدرالية بتحويل مسار بعض الطائرات. [ 1 ]

فور نشر الجهاز، بُذلت محاولاتٌ لرصد الإشارات المرتدة، لكنها باءت بالفشل نظرًا لمحدودية وقت الرصد وعدم اليقين في تحديد الموقع الدقيق لحزمة التجربة. [ 5 ] لم تُكتشف إشارات ارتداد قوية حتى الأول من أغسطس/آب، وذلك بفضل فريق مرصد ليك الذي حقق قياسًا بدقة تقارب 7 أمتار (23 قدمًا) خلال أول رصد. [ 5 ] ساعد هذا الاكتشاف المراصد الأخرى بتقليل عدم اليقين في تحديد موقع الجهاز. [ 6 ] وفي النهاية، مكّنت اللوحة من الوصول إلى دقة قياس تقارب 15 سم (5.9 بوصة) . [ 1 ] وقد حير العلماء المشغلين لتلسكوب ليك الانحراف المستمر في أوقات الإشارات المقاسة مقارنةً بالأوقات المتوقعة. [ 1 ] وكان التفسير هو أن موقع تلسكوب ليك المسجل على الأرض كان غير صحيح بمقدار 25 مترًا (82 قدمًا) تقريبًا . [ 1 ] تم إجراء عمليات رصد إضافية بواسطة مرصد ماكدونالد، ومرصد بيك دو ميدي ، ومرصد تحديد المدى القمري التابع لمختبرات أبحاث القوات الجوية في كامبريدج، ومرصد طوكيو الفلكي. [ 7 ]    

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 فالر، جيمس إي.؛ وامبلر، إي. جوزيف (1970). "عاكس الليزر القمري" . مجلة ساينتفك أمريكان . 222 (3): 38-49 . Bibcode : 1970SciAm.222c..38F . doi : 10.1038/scientificamerican0370-38 . ISSN 0036-8733 . JSTOR 24925752. مؤرشف من الأصل في 10 يوليو 2023. تم الاسترجاع في 10 يوليو 2023 .  
  2. ↑ هوفمان، دبليو إف؛ كروتكوف، آر؛ ديك، آر إتش (1960). "التتبع البصري الدقيق للأقمار الصناعية". معاملات معهد مهندسي الراديو في الإلكترونيات العسكرية . MIL-4 (1): 28-37 . doi : 10.1109/IRET-MIL.1960.5008190 . ISSN 0096-2511 . S2CID 51632472 .  
  3. 1 2 3 فالر، جيه إي (أكتوبر 2014). "قياس المسافة بالليزر حول القمر" (ملف PDF) . ورشة العمل الدولية التاسعة عشرة حول قياس المسافة بالليزر، أنابوليس، ماريلاند، 27-31 أكتوبر 2014. مؤرشف ( ملف PDF) من الأصل في 12 يونيو 2023. تم الاطلاع عليه في 12 يونيو 2023 .
  4. 1 2 آلي، كولورادو؛ بيندر، ب. ل.؛ ديك، ر. هـ.؛ فالر، ج. إ.؛ فرانكن، ب. أ.؛ بلوتكين، هـ. هـ.؛ ويلكنسون، د. ت. (1 مايو 1965). "رادار بصري باستخدام عاكس زاوية على سطح القمر" . مجلة البحوث الجيوفيزيائية . 70 (9): 2267-2269 . رمز Bibcode : 1965JGR....70.2267A . doi : 10.1029/JZ070i009p02267 . مؤرشف من الأصل في 21 يوليو 2023. تم الاسترجاع في 8 يونيو 2023 .
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 بندر، ب. ل.؛ كوري، د. ج.؛ ديك، ر. هـ.؛ إيكهارت، د. هـ.؛ فالر، ج. إ.؛ كاولا، و. م.؛ مولهولاند، ج. د.؛ بلوتكين، هـ. هـ.؛ بولتني، س. ك.؛ سيلفربيرغ، إ. س.؛ ويلكنسون، د. ت.؛ ويليامز، ج. ج.؛ آلي، س. أ. (1973). " تجربة قياس المسافة بالليزر على سطح القمر" . مجلة ساينس . 182 (4109): 229-238 . رمز Bibcode : 1973Sci... 182..229B . doi : 10.1126/science.182.4109.229 . ISSN 0036-8075 . JSTOR 1737100. PMID 17749298 . S2CID 32027563. مؤرشف من الأصل بتاريخ 13 يونيو 2023. تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 يونيو 2023 .    
  6. 1 2 3 4 5 6 7 فالر، جيمس؛ وينر، إيرفين؛ كاريون، والتر؛ جونسون، توماس س.؛ سبادين، بول؛ روبنسون، لويد؛ وامبلر، إي. جوزيف؛ ويبر، دونالد (3 أكتوبر 1969). " شعاع ليزر موجه نحو مصفوفة العاكس القمري: ملاحظات على أولى العودات" . مجلة ساينس . 166 (3901): 99-102 . Bibcode : 1969Sci...166...99F . doi : 10.1126/science.166.3901.99 . ISSN 0036-8075 . PMID 17769756. S2CID 29071972. مؤرشف من الأصل في 24 أبريل 2023 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 يوليو 2023 .   
  7. ^ شابي، جوليان. كوردي، كليمان؛ توري، جان ماري؛ بوكيون، سيباستيان؛ بورجوين، أدريان؛ عيمار، مراد؛ ألبانيز، دومينيك؛ شوفينو، برتراند؛ ماري، هيرفي. مارتينوت لاغارد، غريغوار؛ موريس، نيكولاس؛ فونج، دوي-ها؛ سامين، إتيان؛ فيوت، هيرفي (2020). "التقدم الأخير في تحديد المدى بالليزر القمري في محطة غراس لتحديد المدى بالليزر" . علوم الأرض والفضاء . 7 (3) e2019EA000785. بيب كود : 2020E & SS....700785C . دوى : 10.1029/2019EA000785 . S2CID 212785296 .