如何精確測(cè)量地球與月球之間的距離

中國(guó)原子能科學(xué)研究院 周書華 編譯自Mark Buchanan，

Physics

本文選自《物理》2025年第8期

對(duì)地月距離的高精度測(cè)量在月球地質(zhì)學(xué)研究和廣義相對(duì)論檢驗(yàn)中起著關(guān)鍵作用。使用最先進(jìn)的脈沖激光器系統(tǒng)，精度可以達(dá)到5—10 mm。最近一位研究人員提出了一種方法，通過使用連續(xù)的高功率光束取代激光脈沖，可以顯著提高測(cè)量精度。他相信新方法在此后幾年內(nèi)可達(dá)到亞毫米級(jí)的精度，進(jìn)而提供一種探測(cè)隱藏在月球內(nèi)部的細(xì)節(jié)以及探測(cè)超低頻引力波的技術(shù)。

研究人員現(xiàn)在可以使用激光脈沖以毫米級(jí)的精度測(cè)量地月距離。改用連續(xù)激光操作將使精度提高10—100倍，從而可以對(duì)廣義相對(duì)論進(jìn)行更嚴(yán)格的檢驗(yàn)，并改善對(duì)月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)

目前測(cè)量地月距離的最佳技術(shù)需將一束激光脈沖射向月球表面，在那里，脈沖從一個(gè)叫做角反射鏡(corner-cube reflector)上反射，將光向來時(shí)的方向返回。測(cè)定脈沖往返的時(shí)間便得到距離。

當(dāng)激光脈沖到達(dá)月球時(shí)，光束將有幾公里寬，所以反射鏡的大小決定了反射光的數(shù)量。較小的反射鏡可提高精度，因?yàn)闇p少了幾種誤差的來源，包括因月球晃動(dòng)帶來的誤差。但代價(jià)是：較小的反射鏡返回的光較少，降低了信號(hào)噪聲比。最新的反射器(其中一些是3月份由“藍(lán)幽靈”任務(wù)放置在月球上的)直徑只有10 cm，所以它們返回的光可能只有原來米級(jí)裝置的1%。

加州理工學(xué)院的Slava Turyshev說道：“現(xiàn)今的脈沖系統(tǒng)每個(gè)脈沖僅反射回少量的光，測(cè)距的精度限制在5—10 mm。”作為替代方案，Turyshev提出使用一種不同的測(cè)量技術(shù)，使用高功率連續(xù)波激光器。他估計(jì)，使用千瓦激光器系統(tǒng)收集光的時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)100 s，使反射回的光子數(shù)量增加1萬倍，可能達(dá)到亞毫米甚至幾十微米的精度。

連續(xù)波測(cè)距系統(tǒng)使用無線電波所熟悉的技術(shù)——調(diào)幅(AM)或調(diào)頻(FM)來對(duì)信號(hào)編碼，從而測(cè)量距離。通過將反射信號(hào)與本地“參考”激光進(jìn)行比較，標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)處理技術(shù)能夠估計(jì)從月球反射的光所經(jīng)歷的時(shí)間延遲。

一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是克服來自大氣湍流的扭曲，這在光收集時(shí)間更長(zhǎng)時(shí)會(huì)變得更糟。地球大氣的湍流會(huì)使光路的長(zhǎng)度變化幾十到幾百微米。Turyshev認(rèn)為，為了克服這一問題需要對(duì)一些誤差做修正，在某種程度上，可以通過改進(jìn)對(duì)大氣中溫度、壓力和濕度梯度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)。他還計(jì)算出，同時(shí)在多個(gè)波長(zhǎng)上進(jìn)行激光測(cè)量(這可以幫助研究人員監(jiān)測(cè)大氣的光學(xué)特性)可以將誤差降低10倍左右。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是控制機(jī)械漂移和熱膨脹。振動(dòng)和微小的溫度變化可以使望遠(yuǎn)鏡、反射鏡或光學(xué)平臺(tái)移動(dòng)幾微米，這可能會(huì)在AM或FM光學(xué)信號(hào)編碼中引入誤差。Turyshev認(rèn)為，通過系統(tǒng)地使用極其穩(wěn)定的光學(xué)元件和由熱不敏感材料制成的支架，克服這些問題應(yīng)該是可行的。或者，可以主動(dòng)控制光學(xué)設(shè)備的溫度，例如使用冷水冷卻，將變化限制在0.1℃以內(nèi)。

最后，實(shí)現(xiàn)這種精度所涉及的先進(jìn)光學(xué)和電子學(xué)需要參考激光器具有極精確的定時(shí)和很高的頻率穩(wěn)定性，參考頻率必須在整個(gè)測(cè)量期間保持不穩(wěn)定性小于1013分之一，測(cè)量時(shí)間可能需長(zhǎng)達(dá)100 s，以獲得幾十微米的精度。實(shí)現(xiàn)這種精度的挑戰(zhàn)包括實(shí)時(shí)補(bǔ)償月球靠近地球或遠(yuǎn)離地球的運(yùn)動(dòng)，大約每秒1公里。

德國(guó)萊布尼茨大學(xué)的地球—月球動(dòng)力學(xué)專家Jürgen Müller表示，若能攻克Turyshev提出的挑戰(zhàn)，將對(duì)未來的科學(xué)探索產(chǎn)生重大影響。“如果月球跟蹤能改進(jìn)到亞毫米甚至數(shù)十微米級(jí)別，”他指出，“我們將能夠開展一些全新的科研項(xiàng)目。” Müller特別提到，其研究團(tuán)隊(duì)通過模擬發(fā)現(xiàn)，月球核心與月幔的分界線以及核心自轉(zhuǎn)規(guī)律，都能更精準(zhǔn)地測(cè)定。Turyshev預(yù)計(jì)，月球測(cè)距精度的提升將為廣義相對(duì)論中的等效性原理提供更嚴(yán)格的檢驗(yàn)，并有望探測(cè)到超低頻隨機(jī)引力波背景。

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