经过近半年的努力,中山大学“天琴计划”团队已经多次成功实现了地月距离的激光测量,并在国内首次得到月球表面全部五个激光后向反射器阵列(以下简称“激光反射器”)的回波信号。
地月激光测距示意图(画者布丁提供)
那么引起广泛关注的地月激光测距与“天琴计划”之间有何联系?地月激光测距的原理和历史如何?
天琴的“0颗星”
自然界中,相互绕转的紧凑双星系统、大质量天体的碰撞合并、超新星爆发等极端事件都能产生较强的引力波。爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。但是由于产生引力波的条件极其苛刻,人工手段很难产生能够被探测到的引力波。直到1974年,普林斯顿大学的赫尔斯和泰勒首次在双星系统中发现一颗变星,他们借此观察到这个双星系统的演化与广义相对论预言的通过引力波辐射造成轨道周期变化的结果一致,从而间接证明了引力波的存在。
“天琴计划”采用三颗卫星(如图所示SC1,SC2,SC3)构成一个等边三角形阵列,每颗卫星内部包含一个或两个悬浮检验质量。卫星上将安装可变推力的微牛级推进器,实时调节卫星姿态,使得检验质量始终保持与周围的保护容器互不接触的状态。卫星外壳保护局下,检验质量将只在引力的作用下运动,且不受来自太阳风或太阳光压等细微的非引力干扰。高精度的激光干涉测距技术将被用来记录由引力波引起的、不同卫星上检验质量之间的细微距离变化,从而获得有关引力波的信息。
天琴计划(图片来源于网络)
天琴计划将首先发展月球和深空卫星激光测距技术,帮助实现对天琴卫星毫米级的定轨精度,即实施“天琴计划”0颗星步骤。通过位于中山大学珠海校区的激光测距台站,实现对部署在月球上全部五个激光反射器地月距离测量正是“天琴计划”初始阶段最重要的一步。相比后续将要开展的有卫星参与的卫星空间激光测距,地基激光测距要容易许多。
地月间激光测距
看着容易做着难
自1969年7月21日,美国宇航局阿波罗11号登月飞船第一次实现载人登月,宇航员阿姆斯特朗成功在月球上放置了第一个激光反射器以来,人类又通过阿波罗14号、阿波罗15号、月球17号、月球21号四个成功登月的飞船陆续在月球正面放置了四个激光反射器。除去实施登月计划耗费的人力物力,这些月球上的人造科学仪器要发挥功效,人类要付出更多努力。
月面五台激光反射器所处位置(图片来源:NASA)
月球车1号所携带的激光反射器L1(图片来源:NASA)