Todo sobre el viaje a la Luna !

viernes, 10 de octubre de 2014

Retro-reflectores

Retro-reflectores para medir la distancia a la Luna.

¿Qué es un retro-reflector?


El " Retro-Reflector Laser de Rango" conocido como LR-3, es un reflector (espejo) que se instaló en el ALSEP de las misiones Apolo 11, Apolo 14 y Apolo 15.
El ALSEP es el nombre que se le da a los equipos para  experimentos científicos que se usan para estudiar la superficie de la luna. Estos equipos fueron transportados en un cubículo del módulo lunar llamado MESA (Modular Equipment Storage Assembly).
Pues bien, el LR-3 es un reflector especial que se instaló en los ALSEP y que se utiliza para medir con gran precisión la distancia entre la Tierra y la Luna en un momento determinado.
Experimento práctico sobre retro-reflectores
Si tienes un buen telescopio puedes buscar en la superficie de la 
Luna los retro-reflectores de las misiones Apolo y Lunojod.

En la web http://ilrs.gsfc.nasa.gov/science/scienceContributions/lunar.html puedes localizar los retro-reflectores de las misiones Apolo si dispones de un telescopio potente. 

Aquí tienes las coordenadas...suerte en la búsqueda!!! 
  • Apolo 11: 0,67337º N, - 23,47293º E
  • Apolo 14: 3,64421º S, - 17,47880º W
  • Apolo 15: 26,13333º N, - 3,62837º E

¿Qué es la tecnología LIDAR?

LIDAR
En la imagen vemos un FASOR usado para experimentos
LIDAR. Foto: Public Domain. 

La palabra LIDAR es un acrónimo del inglés Laser Imaging Detection and Ranging. 

LIDAR es una tecnología gracias a la cual se puede medir la distancia que  hay entre un emisor de láser hasta un objeto, usando un haz de láser pulsado. A diferencia de la tecnología de radar, donde se usan ondas de radio, en la tecnología LIDAR se utilizan ondas de luz. 

La distancia al objeto se determina midiendo el tiempo de retraso entre el momento de la emisión del pulso y el momento en que se detecta a través de la señal reflejada.
La tecnología LIDAR también se utiliza en sismología y geología.  

¿Cuántos retro-reflectores hay en la Luna?


Que se sepa, ahora mismo en la Luna hay 5 retro-reflectores operativos:

  • Los astronautas del Apollo colocaron 3 retrorreflectores en la Luna, en las misiones Apolo 11, Apolo 14 y Apolo 15. 
  • Por su parte, los rusos, mediante naves no tripuladas, colocaron retrorreflectores en el Lunokhod 1 y en el Lunokhod 2. 
Localización de los retro-reflectores en la Luna.
Localización de los retro-reflectores en la Luna.
Fuente: ILRS.

A pesar de que instalaron hace más de cuatro décadas, los retro-reflectores siguen en activo.  El reflector que más se usa es el del Apolo 15, porque es tres veces más grande que el de las misiones anteriores, si bien éstos también se siguen utilizando.

Los observatorios activos que utilizan actualmente los retro-reflectores ubicados en la Luna son:
  •  el observatorio Côte d'Azur en Francia. 
  •  el observatorio McDonald Observatory en EEUU.
  • el observatorio Apollo en EEUU (no se debe confundir este observatorio con la misión Apolo, aunque tengan idéntico nombre) 
Estadísticas de uso de los retro-reflectores
Estadísticas de uso de los retro-reflectores que hay operativos
en la Luna. Fuente: ILRS.
Eric Silverberg, de la Universidad de Texas, fue el encargado de las  mediciones con láser que se hicieron en el Observatorio McDonald desde 1969 hasta 1982. Silverberg apunta que "Durante ese tiempo medimos exitosamente las distancias a los tres retrorreflectores de esquina del Apollo y al reflector del Lunokhod 2. También intentamos medir la distancia al primer explorador lunar ruso pero tuvimos solamente una posible (aunque no definitiva) detección el 31 de diciembre de 1970. Nuestro desconocimiento de la posición del explorador y las presiones asociadas al programa Apollo propiciarion que perdiéramos el interés por el Lunokhod 1". 

Retroreflector colocado por la misión Apolo 11.
Retro-reflector colocado por la misión Apolo 11 para poder medir
la distancia entre la Luna y la Tierra. Foto NASA.

Los retrorreflectores en los rovers Lunojod

Los dos rovers no tripulados del Programa Lunojod de la URSS llevaron a la Luna espejos retrorreflectores.


Los retrorreflectores en el Lunojod 1.


Al principio, en la Tierra se captaron señales de láser que habían rebotado en el espejo del Lunojod . Sin embargo, en el año 1971 se perdió el contacto debido a que se perdió la ubicación exacta del Lunojod 1.  Desde el año 1971 hasta el año 2010 no se volvió a recibir ninguna señal de retorno del reflector del Lunojod. 

A pesar de ello, en Abril de 2010, un observatorio de la Universidad de California utilizó las imágenes tomadas por el Lunar Reconnaissance Orbiter  (Orbitador de Reconocimiento Lunar) para localizar de nuevo el Lunojod. Así, en abril de ese mismo año se pudo medir con éxito la distancia al rover, llegando a una aproximación de 1 metro.

Sorprendentemente se descubrió que los reflectores de Lunojod 1 están reflejando mucha más luz que los demás  reflectores instalados en los demás rovers que hay ahora mismo en la Luna. Por algún motivo desconocido, devuelve más fotones que los que el resto de los dispositivos ópticos similares que se dejaron en la Luna.

El 22 de abril de 2010, Murphy y su equipo enviaron rayos de láser desde un telescopio del Observatorio Apache Point, en Nuevo México. Dirigieron los rayos a las coordenadas que les facilió el Orbitador de Reconocimiento Lunar. El retrorreflector láser del Lunokhod 1 interceptó los rayos y envió de vuelta una señal clara a la Tierra.

Murphy relata que aquí en la Tierra "Recibimos alrededor de 2.000 fotones del Lunokhod 1 en nuestro primer intento. Después de casi 40 años de silencio, parece que este explorador tiene mucho para decir". 

El sorprendente caso del Lunojod 1


El Lunokhod 1 fue uno de los mayores éxitos de exploración lunar del programa de la URSS. En el año 1970, la revista Time narraba así el histórico alunizaje del Lunokhod:

"Tres horas después de descender a la superficie lunar a bordo de la más reciente sonda exploradora robot soviética, no tripulada, denominada Luna 17, el Lunokhod 1 (literalmente 'caminante lunar') se movió pesadamente por una de las dos rampas extendidas por su nave nodriza y avanzó… siendo éste el primer paso gigante en la exploración de otro cuerpo celeste por medio de robots".

La expedición del Lunojod duró 11 meses. Durante ese tiempo el Lunojod, pilotado a control remoto, recorrió casi 10 kilómetros de distancia.
La misión del Lunokhod 1 tomó muestras y analizó el suelo de la Luna en 500 sitios diferentes. Envió a la Tierra miles de imágenes de televisión y cientos de fotografías panorámicas de la Luna en alta resolución. 
Tom Murphy, de la Universidad de California, en EEUU, lideró el equipo de investigación que puso en funcionamiento al Lunokhod 1. Respecto del Lunojod 1  comentó que "Enviamos pulsos láser a la posición del Lunojod 1, y nos sorprendió la potencia de la señal reflejada".

"Cuando leí que Tom Murphy había descubierto la señal del explorador perdido me sorprendí mucho y estuve eufórico", nos cuenta Silverberg.

Al principio, a Murphy le costaba creerlo: "¡La señal era tan intensa que mi primer pensamiento fue que nuestro detector estaba fallando! Esperaba que el reflector del explorador estuviera muy deteriorado y que su luz fuera ténue después de tanto tiempo, así que pensé: 'esto no puede ser el Lunokhod 1'. Pero lo era".

"Este reflector es incluso lo suficientemente poderoso como para permitirnos tomar mediciones durante el día lunar —¡la primera vez que ocurre con un experimento de este tipo!"
Silverberg continúa: "El hecho de que la reflexión de la luz por parte del Lunakohd 1 sea ahora más potente que la de su gemelo es un misterio. Esto podría darnos importantes pistas acerca de por qué todos los reflectores son ahora más débiles que durante la primera década después de su llegada a la Luna".

Los científicos usaron la medición de distancias por láser para probar la teoría de la gravedad de Einstein. 
El tiempo que le lleva al láser ir y venir marca la distancia que hay desde la Tierra hasta la Luna. A base de repetir las mediciones durante años, los científicos pueden llegar a trazar la órbita de la Luna con una gran precisión.

Según la Teoría de la Relatividad General de Einstein  la energía y la masa de cuerpos tan grandes como el Sol curvan el espacio, y esta curvatura condiciona cómo deben moverse los objetos alrededor del cuerpo más grande. Por poner un ejemplo, esta curvatura hace que tanto la Luna como nuestro planeta "caigan" hacia el Sol.

Así, desde el Observatorio Apache Point miden repetidamente con láser la distancia a la Luna,  comprobando si se produce o no el desplazamiento de la Luna a través del tiempo–espacio curvo tal y como predice la teoría de Einstein.
Hasta ahora, las mediciones realizadas han avalado la teoría de Einstein. 

Los retrorreflectores en el Lunojod 2.

Lunojod 2 fue un "gemelo" del Lunojod 1 que llegó a la Luna en el año 1973.  Estuvo  activo en todo momento y a día de hoy también sigue rebotando las señales de láser que se envían desde la Tierra.


¿Cómo funciona un retro-reflector?

Funcionamiento de un retro-reflector
Esquema del funcionamiento de un retro-reflector. 
Imagen: Chetvorno. Creative Commons.
El retro-reflector tiene un funcionamiento sencillo: es una combinación de espejos que rebota cualquier haz de luz exactamente al mismo lugar de donde este se originó. En el caso de los retro-reflectores que están en la Luna, el haz de láser enviado tarda en ir y volver apróximadamente 2.4 segundos.
En la vida cotidiana podemos ver con frecuencia ejemplos de retrorreflectores en las carreteras, donde se usa  para avisar al conductor de algún peligro. Funcionan reutilizando la luz que emiten los coches, reflejandola.


¿Qué avances han aportado los retro-reflectores?

Gracias al uso de estos reflectores se ha podido saber que: 
  • La órbita de la Luna que se ha medido hasta la actualidad con estos reflectores está dentro de los límites predichos por la teoría de la relatividad de Einstein. 
  • La órbita de la Luna se está alejando de la Tierra unos 3,8 centímetros por año. Esto es debido a las mareas terrestre. 
  • Probablemente el núcleo de la Luna es líquido. 
  • Los retro-reflectores han sido necesarios para poder acotar el error de la medida de la constante gravitacional de Newton y posteriormente volver a comprobar la predicción de órbita lunar,  ya que ésta se ha comportado consistentemente entre los límites que habían sido predecidos por la teoría de la relatividad de Einstein.
  • Ahora se sabe que la Luna esta a unos 363.104km o 405.696km de distancia (según el momento y la fecha del año, con un rango de error de 1.3mm)


¿Puedo hacer el experimento en mi casa?

 Siendo sinceros,  no es cosa fácil, necesitarás unos instrumentos que son caros. 

Para empezar, sería necesario tener a mano un láser que sea capaz de generar pulsos muy definidos. Apróximadamente unos mil fotones por pulso (en verde de 532nm) como mínimo. Es el mínimo de definición que podemos usar si queremos que el experimento salga bien, ya que incluso utilizando este pulso de 1.000 fotones sólo nos llegaría de vuelta a la Tierra un único fotón. Precisamente por el motivo de que sólo llegará un fotón, necesitaremos tener a mano un sensor que sea capaz de distinguirlo del resto de la radiación de luz de fondo.
Aún así, a pesar de la dificultad que implica realizar este experimento, hay grupos de personas en internet  que se dedican a tomar sus propias mediciones.

Los reflectores como prueba de que el viaje a la Luna fue real

Para muchos, la presencia de los retrorreflectores láser en la superficie de la Luna constituye el mejor argumento para refutar las afirmaciones de que los alunizajes de las misiones Apolo eran un montaje.


Referencias:
La Luna en Wikipedia.Comellas, José Luis. (1996). Guía del Firmamento. "Sexta edición". Editorial Rialp. ISBN 84-321-1976-8. 


Webs de interés:

NASA, Lunar Laser , en Ranging.
Estación de telemetría en Sommaire en Francia