Tajemnicza degradacja matryc reflektorów Apollo

Eksperymenty z laserowym pomiarem odległości na Księżycu dostarczyły skarbnicy interesujących informacji o Księżycu, na przykład o tym, że oddala się on od nas w tempie 38 mm rocznie.

Eksperymenty są proste. Astronomowie wystrzeliwują impuls laserowy w reflektor umieszczony na powierzchni Księżyca przez misję Apollo 15, a około 2 sekundy później używają teleskopu, aby znaleźć odbicie.

Obserwacje są trudne. Z 10^17 fotonów, które lecą w kierunku Księżyca w każdym impulsie, średnio tylko jeden powraca. I tylko wtedy, gdy warunki widzenia są dobre.

Kiedy warunki są dobre, astronomowie często celują w macierze pozostawione przez misje Apollo 11 i 14, które są tylko jedną trzecią wielkości Apollo 15 i dlatego są trudniejsze do zauważenia. Jeśli obserwatorzy mają szczęście, mogą również spróbować rosyjskiej macierzy Lunakhod 2 (macierz Lunakhod 1 nie była widziana od 1971 roku).

W sumie astronomowie prowadzą obserwacje od 1969 roku, najpierw z Obserwatorium MacDonalda w Zachodnim Teksasie, a później z Obserwatorium Apache Point w Nowym Meksyku. Daje im to pokaźną bazę danych, za pomocą której mogą analizować zachowanie reflektorów.

Jak więc te reflektory radziły sobie przez lata w trudnych warunkach na powierzchni Księżyca? To pytanie, które zadał dziś Tom Murphy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego i kilku kumpli. A ich analiza stanowi ciekawy problem.

Przede wszystkim mówią, że wydajność wszystkich trzech układów reflektorowych Apollo spadła o rząd wielkości podczas ich pobytu na Księżycu. Jeszcze gorzej wypadł reflektor Lunakhod. Kiedy przybył na Księżyc w 1973 roku, jego sygnał był o 25% silniejszy niż w Apollo 15. Dziś jest dziesięć razy gorzej.

Co się stało z tym sprzętem?

Odbłyśniki składają się z szeregu sześciennych pryzmatów, które działają na zasadzie całkowitego wewnętrznego odbicia. Dodatkowo pryzmaty Lunakhoda mają srebrzone powierzchnie i są bardziej wyeksponowane. Degradacja tego srebrzenia prawdopodobnie wyjaśnia jego względny spadek wydajności.

Ale co spowodowało degradację pryzmatów Apollo? Wszystko, co osiądzie lub uszkodzi powierzchnie optyczne pryzmatów, zmniejszy skuteczność całkowitych odbić wewnętrznych. Murphy i wsp. omawiają kilka możliwości, takich jak uszkodzenia mikrometeorytów, agregacja pyłu księżycowego i awaria teflonowych pierścieni montażowych, które mogły pozostawić osady na tylnej powierzchni pryzmatów.

Każdy z tych mechanizmów może odpowiadać za spadek, ale trudno go określić.

Istnieje jednak inna, bardziej intrygująca zagadka dotycząca danych z zakresu laserowego. Gdy Księżyc jest w pełni, sprawność wszystkich reflektorów Apollo spada dziesięciokrotnie. Murphy i spółka wykluczyli efekty naziemne, takie jak nasycenie ich detektorów fotonów, gdy księżyc jest jasny.

Więc dlaczego tak się dzieje? Jedna wskazówka pochodzi z badania powrotów podczas całkowitego zaćmienia Księżyca. W ciągu 15 minut od wystąpienia zaćmienia sprawność reflektorów powraca do normalnego poziomu. Kiedy zaćmienie się kończy, a Księżyc znów jest w pełni, sprawność natychmiast spada.

To silnie wskazuje na efekt termiczny. Kiedy Słońce znajduje się nisko na niebie księżycowym, jego promienie nie mogą bezpośrednio wchodzić w pryzmaty, które są zagłębione w matrycach. Ale kiedy Słońce znajduje się nad głową (czyli wtedy, gdy Księżyc pojawia się na Ziemi), jego promienie wędrują bezpośrednio do pryzmatów. Zapewne jest to nagrzewanie pryzmatów, ich zniekształcanie i zmniejszanie skuteczności ich odbić.

Ale dlaczego teraz? Efekt pełni Księżyca nie stanowił problemu we wczesnych dniach pomiarów księżycowych.

Pył jest prawdopodobnie najbardziej prawdopodobnym kandydatem do zaobserwowanej degradacji, mówią Murphy i spółka. Światło słoneczne jest prawdopodobnie pochłaniane przez pył na powierzchniach optycznych, który z kolei ogrzewa pryzmaty krzemionkowe.

Wiadomo, że pył unosi się nad powierzchnią Księżyca z powodu sił elektrostatycznych i uderzeń mikrometeorytów, które prawdopodobnie regularnie wysyłają kilka podmuchów do atmosfery Księżyca.

Ciekawa praca. I taki, który jest bardziej niż przejściowo interesujący dla wielu astronomów, ponieważ ma konsekwencje dla każdego, kto myśli o wysłaniu sprzętu na Księżyc w przyszłości. Różni astronomowie chcą wysłać teleskopy na Księżyc, szczególnie na jego dalszą stronę, ze względu na panujące tam niesamowite warunki widzenia i jego izolację od Ziemi. Wiedza o tym, jak radził sobie sprzęt Apollo, będzie miała kluczowe znaczenie przy projektowaniu tych rzeczy.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1003.0713 : Długotrwała degradacja urządzeń optycznych na Księżycu

ukryć