Apache_Point_Observatory_Lunar_Laser-ranging_Operation
アパッチポイント天文台月面レーザーレンジング動作、またはAPOLLO、でプロジェクトであるアパッチポイント天文台でニューメキシコ州。これは、月の軌道距離と動きの変化を追跡するために月の再帰反射器を使用する、以前の月レーザー測距実験の拡張と進歩です。
月にレーザーを発射するアポロ。レーザーパルスは月の
再帰反射器で反射され（以下を参照）、望遠鏡に戻されます。往復時間は、月までの距離を非常に正確に伝えます。この写真では、月は非常に露出オーバーであり、レーザービームを可視化するために必要です。
アポロ15号月レーザー測距実験（LRRR）。小さな円は
角の立方体であり、光を元の方向に直接反射します。
地球上の望遠鏡、月の反射板、およびレーザーパルスの正確なタイミングを使用して、科学者は2000年代初頭までに月の軌道を数センチメートルの精度で測定および予測することができました。この精度は、重力理論の多くの側面の最もよく知られたテストを提供します。APOLLOはこの精度をさらに向上させ、月と地球の間の距離を数ミリメートル以内に測定します。この情報を使用して、科学者は重力のさまざまな側面をさらにテストできます。たとえば、地球と月が異なる組成にもかかわらず重力に対して同じように反応するかどうかを判断し、地球のエネルギー量に関するアインシュタインの予測を調査します。そして月とそれらが重力にどのように反応するか、そして一般相対性理論が月の動きを正しく予測するかどうかを評価します。
APOLLOコラボレーションは、南部ニューメキシコ州のアパッチポイントで3.5メートル望遠鏡でその装置を構築しました。大気がよく見える場所で大型望遠鏡を使用することにより、APOLLOコラボレーションは既存の施設よりもはるかに強い反射を得ることができます。APOLLOは、以前のLLR施設で経験したパルスあたり約0.01の光子とは対照的に、パルスあたり約1つの返されたレーザー光子を記録します。APOLLOからのより強いリターン信号は、はるかに正確な測定に変換されます。
コンテンツ
1 歴史とモチベーション
2 科学の目標
2.1 等価原理のテスト 2.2 万有引力定数の変動 2.3 その他のテスト
3 動作原理
3.1 モデリングステーションの場所
4 発見
5 状態
6 コラボレーション
7 参考文献
8 外部リンク
歴史とモチベーション
高精度の月レーザー測距（LLR）は、アポロ11号の宇宙飛行士が最初の再帰反射器を月に残した直後に開始されました。追加の反射板はアポロ14号とアポロ15号の宇宙飛行士によって残され、2つのフランス製の反射板アレイがソビエトルナ17号（ルノホート1号）とルナ21号（ルノホート2号）の月面車ミッションによって月に配置されました。それ以来、多くのグループや実験がこの手法を使用して、地球と月のシステムの振る舞いを研究し、重力やその他の影響を調査してきました。
月レーザー測距実験の最初の数年間は、天文台と反射板の間の距離を約1の精度で測定できました。 25cm。改善された技術と設備は、1984年頃まで12〜16cm。その後、マクドナルド天文台は測距専用の特殊目的システム（MLRS）を構築し、およその精度を達成しました。1980年代半ばから後半にかけて3cm。1990年代初頭、コートダジュール天文台（OCA）のフランスのLLRシステムが、同様の精度で運用を開始しました。
マクドナルドステーションとOCAステーションは、リフレクターから収集するフォトンの数を考えると、可能な限り優れたデータを収集しています。マイナーな改善は可能ですが、大幅に優れたデータを取得するには、より大きな望遠鏡とより優れたサイトが必要です。これがAPOLLOコラボレーションの基本的な目標です。
APOLLOレーザーは、2005年10月から運用されており、地球と月の間でミリメートルレベルの範囲精度を日常的に達成しています。
科学の目標
APOLLOの目標は、LLRをミリメートル範囲の精度に押し上げることです。これは、基本的な物理パラメータの決定における桁違いの改善に直接変換されます。具体的には、以前の測定値に比べて10倍の改善を想定すると、 APOLLOは以下をテストします。
の一部に対する弱い等価原理（WEP）10 14、
のいくつかの部分への強い等価原理（SEP） 10 5、
のいくつかの部分へのド・ジッター相対論的歳差運動10 4、および
の部分への重力定数 Gの時間変化10 13年間。
等価原理のテスト
弱い等価原理は、それらが何でできているかに関係なく、すべてのオブジェクトが重力場で同じように落下することを示しています。地球と月の組成は大きく異なります。たとえば、地球には大きな鉄の芯がありますが、月にはありません。さらに、両方とも太陽の周りを回っています。つまり、お互いの周りを回っていても、常に太陽に向かって落下しています。地球と月が太陽の重力によって異なる影響を受けた場合、これは地球の周りの月の軌道に直接影響します。同様に密接に科学者は、月の軌道が同じようにその重力を仮定から予測される測定できるようにそれぞれ同じ作用- 10で1部内に13、地球とまったく同じように太陽に向かってムーン秋、にもかかわらずそれらの異なる組成。APOLLOはさらに厳しい制限につながります。
アルバートアインシュタインの一般相対性理論によると、強い等価原理は、オブジェクトの質量が2つの部分、つまり原子自体の質量と、オブジェクトをまとめるエネルギーの質量で構成されると予測しています。問題は、質量のエネルギー部分が物体の測定された重力に寄与するのか、それとも慣性に寄与するのかということです。一般相対性理論では、自己エネルギーは重力場と慣性の両方に影響を及ぼし、等しく影響します。
弦理論、真髄、およびさまざまな形式の量子重力などの他の現代の理論は、ほとんどすべて、あるレベルでの強い等価原理の違反を予測しています。さらに、暗黒物質の存在を暗示する銀河の回転曲線や暗黒エネルギーの存在を暗示する超新星観測など、多くの不可解な実験結果も、代替の重力理論によって説明できる可能性があります（たとえば、MONDを参照）。したがって、実験家は、重力の最も正確な測定を可能にし、考えられる異常を探したり、アインシュタインの予測を確認したりすることが重要であると考えています。
地球と月はエネルギー成分の質量の割合が異なるため、月までの正確な範囲でSEPをテストできます。この成分は非常に小さいので、精密測定が必要である-場合、M Eは重力の引力に対して無限大に外地球の原子を拡散するために必要なエネルギー- -地球の自己エネルギーであり、その後、地球の質量がさの減少によって約M E / C 2 =4.6 × 10 -10地球の総質量の。月の自己エネルギーはまだ小さいです、約2 × 10 -11その質量の。（実験室サイズの任意のオブジェクトの貢献は10について、無視できる程度である- 27、従って遊星サイズまたは大きなオブジェクトのみ測定がこの効果はneasuredされることを可能にするであろう。）
月が地球だけを中心に回転している場合、測定できるのは全体だけなので、月または地球の重力のどの部分が各形式の質量によって引き起こされたかを知る方法はありません。ただし、月の軌道は太陽の重力の影響も強く受けます。本質的に、地球と月は太陽の周りを自由落下します。質量のエネルギー部分が従来の部分とは異なる振る舞いをすると、地球と月は太陽に向かって異なって落下し、地球の周りの月の軌道が影響を受けます。たとえば、質量のエネルギー部分は重力に影響を与えますが、慣性には影響を与えないとします。それで：
地球に関する私たちの視点からは、これは、13メートルの振幅で太陽から離れた月周回軌道の変位または偏光として表示されます。自己エネルギーが重力質量ではなく慣性質量を持っているという逆の方向に進んだ場合、月の軌道は同じ振幅で太陽に向かって分極しているように見えます。振幅の計算は複雑ですが 、大まかな見積もりは地球の軌道半径を乗算することによって導き出すことができます。1.5 × 10 11 m個によって4.6 × 10 -10自己エネルギーから地球の質量への寄与は75メートルを得ました。
EP違反の署名は非常に単純で、月と太陽の距離にのみ依存します。これは約29。5日ごとに繰り返され、月が地球を一周するのにかかる時間である27。3日よりもいくらか長くなります。（この違いは、月が周回するときに地球がその軌道に沿って移動するために発生します。したがって、月は太陽に対して同じ位置に戻るために1つより少し多い軌道を作成する必要が）これにより、EPの測定が特に簡単になります。潮汐や天気などの多くの交絡効果は29。5日間隔で繰り返されないためです。残念ながら、月の軌道に作用する放射圧という1つの影響があり、29。5日ごとに繰り返されます。幸いなことに、それは小さく、4 mm未満であり、モデル化がかなり簡単であるため、差し引くことができます。
最後に、実験が効果を示さなくても、小さな理論上の抜け穴が測定値は、WEP違反とSEP違反の合計を示しています。実験で効果が見られない場合、最も自然な説明は、WEPにもSEPにも違反していないということです。しかし、概念的には、両方が違反され、同じ量と反対の量で違反される可能性がWEPとSEPは、地球と月の正確な構成、およびそれらの自己エネルギーなど、非常に異なる任意のプロパティに依存しているため、これは信じられないほどの偶然です。しかし、他の太陽系小天体が同様の精度で測定されるか、実験室での実験によってWEP違反の範囲が縮小されるまで、この可能性の低いケースを完全に排除することはできません。
万有引力定数の変動
までの実験既存のの不変測定することができます重力定数、Gを約1つの部分に、10 12年間。宇宙の膨張率は約1つの部分です10年間10。したがって、Gが宇宙のサイズまたは膨張に比例してスケーリングされた場合、既存の実験ではすでにこの変動が見られます。この結果は、重力によって束縛されたシステムが宇宙の一般的な膨張に関与しないという理論的結果 の実験的検証と見なすこともできます。APOLLOは、そのようなバリエーションに対してはるかに厳しい境界を設定します。
その他のテスト
このレベルの精度では、月の軌道を予測するために一般相対性理論が必要です。現在の試験は、測定測地歳差を0.35％の精度のレベルにgravitomagnetism 0.1％のレベルで、および小切手1 /として重力ふるまうかどうか、R 2、期待どおり。APOLLOは、これらすべての測定値を改善します。
動作原理
返されたフォトンのグラフ
APOLLOは、遠方のターゲット（この場合は月面の再帰反射器アレイ）から反射された短パルスレーザーの飛行時間を測定することに基づいています。光の各バーストは100ピコ秒（ps）続き ます。範囲内の1ミリメートルは、往復移動時間のわずか6.7psに相当します。ただし、月の再帰反射器は、それ自体で1ミリメートルを超える誤差をもたらします。それらは通常、入射ビームに対して正確に直角ではないため、再帰反射器のさまざまなコーナーキューブは、送信機からさまざまな距離にこれは、月が地球に対して1つの面を維持しているにもかかわらず、正確にはそうではないためです。月は、大きさが10度も上下左右に揺れます。（秤動を参照して）これらの秤動は、月が一定の速度で回転するために発生しますが、楕円形で傾斜した軌道を持っています。この効果は小さいように見えるかもしれませんが、測定可能であるだけでなく、どのコーナーキューブが各光子を反射したかを判断する方法がないため、範囲を見つける際に最大の未知数を形成します。最大の配列、0.6 m 2のアポロ15号の反射板は、コーナーからコーナーまでの範囲の広がりが約1.2 sin（10°）m、つまり210 mm、つまり往復時間で約1.4nsになる可能性がその場合、二乗平均平方根（RMS）範囲の広がりは約400psになります。平均化によって、1mMの精度、または7つのPSにリフレクタまでの距離を決定するために、測定は、少なくとも（7分の400）必要が2個の≈3000光子。これは、既存の測定を改善するためにはるかに大きなシステムが必要な理由を説明しています。APOLLO以前の2 cm RMS範囲の精度は、再帰反射器アレイの最悪の場合でも、約10光子しか必要としませんでした。
APOLLOは、より大きな望遠鏡とより優れた天体シーイングの両方を使用して、この問題を攻撃します。どちらも既存のシステムよりも大幅に改善されています。マクドナルド天文台の測距ステーションと比較して、アパッチポイント望遠鏡は20倍広い集光領域を持っています。より良い視界からも大きな利益が以前のマクドナルド月レーザー測距実験（MLRS）で一般的な約5秒角と比較して、APOサイトと望遠鏡を組み合わせると1秒角の視界を達成できることがよくより良い視界は2つの方法に役立ちます。月のより小さなスポットから光を集めるために、より小さな受信機の視野が使用される可能性があるため、月のレーザービーム強度を増加させ、月の背景を減少させます。両方の効果は、シーイングの逆二乗としてスケーリングされるため、月のリターンの信号対ノイズ比は、シーイングの4乗に反比例します。したがって、APOLLOは、MLRSよりも約20（大きな望遠鏡から）×25（見やすくするため）= 500×の戻り信号強度を獲得し、信号対雑音比で25の追加係数（目的の光子に干渉する浮遊光子が少ないことから）を得る必要が ）。同様に、APOLLOは、1.5mの望遠鏡と約3秒角の視界を持つOCALLR施設よりも約50倍強い信号を受信するはずです。
増加した光ゲインは、パルスごとに複数の戻り光子を取得する可能性があるため、いくつかの問題を引き起こします。APOLLOシステムの最も新しいコンポーネントは、検出器で使用される単一光子アバランシェダイオード（SPAD）の統合アレイです。この技術は、各パルス内の複数の光子リターンを処理するために必要です。ほとんどの単一光子検出器は「デッドタイム」に悩まされています。次々に到着すると、光子を検出できません。これは、複数の光子が単一のパルスで戻ってきた場合、従来の単一光子検出器は最初の光子の到着時間のみを記録することを意味します。ただし、重要な量は、返されるすべての光子の時間の重心であるため（パルスと反射器が対称であると仮定）、パルスごとに複数の光子を返すことができるシステムでは、各光子の到着時間を記録する必要がAPOLLOでは、入ってくる光子が独立した検出器のアレイに拡散されるため、2つ以上の光子がいずれかの検出器に当たる可能性が低くなります。
モデリングステーションの場所
APOLLOを含むすべてのレーザー測距ステーションは、望遠鏡から反射鏡までの通過時間、つまり距離を測定します。しかし、月の測距科学にとって本当に必要なのは、地球の重心と月の重心の間の距離です。これを行うには、望遠鏡と反射鏡の位置を同等の精度（数mm）で知る必要が望遠鏡と反射鏡はどちらも静止した構造であるため、正確に測定できたように見え、その後、それらの位置がわかります。この仮定は、静かな環境である月にとってそれほど悪くはありません。しかし、地球の場合、ステーションはこの規模でかなり移動します。
地球の極軸が動くと地球の回転が不規則です。極軸はさまざまな原因で移動します。予測可能なもの（月が地球の潮汐の膨らみにトルクを及ぼす）と変動するもの（最終氷河期、天候から岩が跳ね返っている）が天気はまた、大量の水を動かして地球の自転に影響を与えます。これらの影響は、他の多くの科学プロジェクトにとっても重要であり、それらを追跡する独自の機関である国際地球回転基準系サービスも
駅は潮の干満で移動します。月は、地球にきちんと固定されているため、約10cmの比較的小さく繰り返し可能な潮汐を持っています。固体の地球はより大きな潮汐を持ち、12時間ごとに約35cmのピークツーピークで振動します。
地球の地殻は、後氷期のリバウンドや土砂流送による負荷などの長期的な変動に応じて変化します。
地球の短期間の天候も、主に垂直方向に望遠鏡の位置に影響を与える可能性がさまざまな気象の影響により、地殻の局所領域に負荷がかかり、地殻が数ミリメートル押し下げられます。これらの影響は、大気（高圧システムが地球の表面を押す）と海（海岸に水が堆積して地殻を押し下げる）から生じます。雨によって引き起こされる地下水の変動も望遠鏡の位置に影響を与える可能性が
日光の圧力が月の軌道をわずかに中心から外します。これは約3.65mmの小さな効果ですが、EP違反の効果を模倣しているため特に重要です。
大陸移動でさえ補償されなければなりません。
さらに、地球の大気は、大気中の光の速度がわずかに遅いため、追加の遅延を引き起こします。アパッチポイントをまっすぐ見上げると、これは約1.6メートルになります。この遅延は、天候、主に大気圧の影響も受けます。大気圧は、サイトの上にある空気の量を決定します。
これらの影響の多くは気象に関連しており、より一般的な衛星レーザー測距にも影響を与えるため、測距ステーションには従来、気象ステーションが含まれ、地域の温度、気圧、相対湿度を測定します。APOLLOはこれらすべてを測定し、さらに精密重力計を使用して局所重力を非常に正確に測定します。この機器は、観測所が地球の中心に近づいたり遠ざかったりするときの重力の変化を測定することにより、0.1mmという小さな垂直変位を感知することができます。
科学者は、これらすべての測定値を使用して、望遠鏡の正確な位置と大気中の遅延をモデル化して予測し、それらを補正できるようにします。潮汐はかなり予測可能であり、地球の自転はIERSによって測定され、説明することができます。大気の遅延はかなりよく理解されており、圧力測定のみが支配的です。初期のモデルでは、妥当な仰角に対して5〜10 mmの範囲で不確実性がありましたが、最近の取り組みにより、地平線から10度まで3 mmの精度、20〜30°以上でサブミリメートルの性能を主張するモデルが作成されました。 。天気はおそらく最大のエラーの原因です。大気負荷は、望遠鏡の気圧と内の平均気圧から推定されます。半径1000km。海洋負荷は経験的モデルによって厳密に処理されており、地下水はほとんど無視されてきました。APOLLOは、測定の完全な精度を達成するために、これらすべてのモデルの改善がおそらく必要になります。
発見
2010年4月、APOLLOチームは、ルナーリコネサンスオービターからの写真の助けを借りて、長い間失われていたルノホート1号ローバーを発見し、レーザー再帰反射器から返品を受けたと発表しました。 2010年秋で、ローバの位置がされていたtrilateratedセンチメートル程度に（地球の自転と月の秤動の異なる点からの距離測定値を使用して）。月の肢の近くの場所は、それが日光の下にあるときでさえローバーを測距する能力と組み合わされて、地球-月システムの側面を決定するのに特に役立つことを約束します。
APOLLOのコラボレーションにより、満月になると月面反射板の光学効率が低下することがわかりました。この影響は、1970年代初頭からの測定には存在せず、1980年代には目に見えたが強くはなく、現在では非常に重要です。満月の間、信号は約10分の1になります。原因は、アレイ上のほこりが原因であると考えられ、温度勾配が発生し、返されたビームが歪んでしまいました。 2010年12月の皆既月食中の測定により、熱の影響が原因であることが確認されました。光の突然の遮断と回復により、効果の熱時定数を観察することができました。
状態
APOLLOは、2005年10月からさまざまな程度で稼働しており、2006年4月から科学品質のデータが開始されています。2011年半ばまでの状況は次のとおりです。
5つのリフレクターすべて（3つのアポロと2つのルノホート）は日常的に範囲を定めていました。
1つのパルスで最大12個の光子（検出器によって制限されます–それ以上だった可能性があります）。
数分間にわたってパルスあたり約3光子の持続速度。これは、以前の取り組みの約65倍の光子が検出されました。
1回の発光で50，000もの戻り光子が検出されました（合計5時間の操作中）。
2011年半ばの時点で、範囲の精度（セッションあたり）は約 月の軌道がおよそ15mmのレベルに決定されている間、リフレクターあたり1.8〜3.3mm 。測定値と理論の間のギャップは、レンジングの体系的なエラー、このレベルで重要になるさまざまな従来の効果の不十分なモデリング、または重力理論の制限が原因である可能性がこの不一致は新しい物理学が原因である可能性がありますが、これは複雑で困難であることが知られているため、主な容疑者はモデリングが不十分です。
APOLLOが1兆分の1の測定精度レベルを超えて改善できるようにするために、2016年にセシウム原子時計を追加し、キャリブレーションシステムを改善しました。 新しいシステムを導入すると、可能な精度を2mmよりも高くすることができます。
新しいシステムは、以前の測定の精度を確認しています。APOLLOのGPS同期オーブン制御水晶発振器に起因する10psの誤差（1.5 mmの距離の不確実性に対応）の以前の推定値が低すぎることが明らかになりました。実際の数値は20ps（3 mm）に近かった。しかし、注意深い記録管理により、時計の変動の新しい理解に照らして古いデータを再分析することができ、ほとんどの精度が回復しました。
以前の測定の精度を確認し、新しいさらに正確な測定を行うことにより、まだ解決されていない 理論と実験の間の15〜20 mmの不一致は、理論モデルによりしっかりと配置されるようになりました。
コラボレーション
：APOLLOは間の共同作業であるカリフォルニア大学サンディエゴ校（トム・マーフィー 研究責任者）、ワシントン大学、ハーバード大学、ジェット推進研究所、リンカーン研究所、北西分析、アパッチポイント天文台、およびフンボルト州立。
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外部リンク
Neil＆Buzzが月に残したもの月レーザー測距の基本に関するNASAの説明
Apache Point Lunar Laser RangingProjectのメインWebページ
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