На одной из тихих ночных смен в обсерватории Apache Point в американском штате Нью-Мексико в сторону Луны отправляют короткий зеленый лазерный импульс. Примерно через 1,25 секунды он достигает отражателя, который Базз Олдрин установил на лунной поверхности в июле 1969 года. Затем часть фотонов возвращается назад, и этого слабого сигнала ученым хватает, чтобы измерить расстояние до Луны с точностью до нескольких миллиметров.
Эти отражатели работают уже почти 57 лет. Им не нужен источник питания, обслуживание или связь с Землей. По сути, это очень точно изготовленные зеркальные устройства, которые продолжают выполнять свою задачу спустя десятилетия после установки.
Первый такой отражатель астронавты миссии Apollo 11 разместили в Море Спокойствия 21 июля 1969 года. Это алюминиевая панель размером 18 на 18 дюймов, на которой закреплены 100 уголковых призм из плавленого кварца. Такая конструкция устроена так, что возвращает падающий на нее свет обратно в сторону источника почти независимо от угла падения. Позже похожий отражатель появился в районе Фра Мауро в ходе миссии Apollo 14 в 1971 году, а Apollo 15 в том же году доставила более крупную панель уже с 300 призмами. Кроме того, еще 2 отражателя французского производства были установлены на советских аппаратах «Луноход-1» и «Луноход-2».
В итоге на Луне появились 5 рабочих отражателей, закрепленных в разных точках поверхности. Они пережили многие другие лунные приборы, потому что не зависят от электроники и внешнего питания. Именно поэтому такие панели продолжают использоваться до сих пор, пишет SpaceDaily.
Среднее расстояние от Земли до Луны составляет около 384 400 км. Лазерному импульсу требуется примерно 2,5 секунды, чтобы пройти путь туда и обратно. Однако главная трудность состоит не в самой дальности, а в огромных потерях света. Пока луч идет от телескопа к Луне, он сильно расширяется из-за атмосферы и особенностей распространения. В результате на отражатель попадает лишь малая часть исходного сигнала, а на обратном пути свет снова рассеивается.
Из огромного исходного импульса телескоп на Земле иногда принимает всего 1 фотон, а иногда 2. Поэтому для надежного результата обсерватории посылают тысячи импульсов в течение нескольких часов и затем усредняют время их прохождения. С годами этот метод стал точнее благодаря более мощным лазерам, более чувствительным приемникам и переходу части станций на инфракрасный диапазон, который дает более ровный сигнал от всех 5 отражателей.
Особенно заметных результатов добилась система APOLLO в обсерватории Apache Point. По данным, которые приводит издание, за 15 лет наблюдений медианная точность ночных измерений там достигла 1,7 мм. Для сравнения, речь идет об измерении на расстоянии почти 400 000 км.
Именно эти многолетние наблюдения позволили с высокой точностью подтвердить, что Луна постепенно удаляется от Земли. Сейчас скорость этого удаления оценивается примерно в 3,8 см в год. Это сопоставимо со скоростью роста ногтей у человека.
Причина связана с приливным взаимодействием Земли и Луны. Океаны на Земле образуют приливной выступ в сторону Луны, но из-за того, что Земля вращается быстрее, чем Луна обращается вокруг нее, этот выступ немного смещается вперед. В результате он как бы подтягивает Луну по орбите, передавая ей часть углового момента. Из-за этого земные сутки постепенно становятся длиннее, примерно на 1,8 миллисекунды за столетие, а Луна понемногу отходит дальше.
Эти же измерения дали ученым и другую важную информацию. По данным, которые много лет анализировал специалист Лаборатории реактивного движения NASA Джеймс Уильямс, в поведении Луны удалось заметить очень малые колебания ее вращения. На их основе был сделан вывод, что у Луны есть жидкое ядро.
Со временем это удаление повлияет и на затмения. В публикации говорится, что примерно через 600 млн лет Луна будет казаться с Земли слишком маленькой, чтобы полностью закрывать Солнце, и полные солнечные затмения перестанут происходить.
Лунная лазерная локация оказалась важна не только для астрономии, но и для фундаментальной физики. Изначально отражатели рассматривались как геодезический эксперимент, однако позже они стали одним из самых точных способов проверки гравитации. Эти наблюдения позволили с очень высокой точностью проверить общую теорию относительности Эйнштейна. В частности, эквивалентность гравитационной и инертной массы для системы Земля—Луна, как отмечается в статье, была подтверждена точнее чем до 4 частей на 10 в 14-й степени. Также было показано, что гравитационная постоянная G с 1969 по 2004 год могла меняться не более чем на 1 часть из 100 млрд.
За десятилетия в проекте участвовали сразу несколько обсерваторий. Первые 30 лет основная нагрузка лежала на обсерватории McDonald в Техасе. Большой вклад внесла французская Обсерватория Лазурного берега, а в 2000-х годах самым точным центром стала площадка Apache Point. Первый успешный прием сигнала от отражателя Apollo 11 был выполнен уже 1 августа 1969 года с помощью 120-дюймового телескопа Shane в обсерватории Lick, через считаные недели после установки панели на Луне.
Сама идея такого эксперимента появилась еще в конце 1950-х годов в Принстоне. Тогда аспирант Джеймс Фэллер, работавший в группе Роберта Дикке, предложил установить на Луне уголковый отражатель. Позже эта задумка превратилась в один из самых долгих и точных научных экспериментов в космической науке.
Отражатели сделаны из плавленого кварца, который хорошо переносит ультрафиолет и не требует защиты от воды, воздуха или биологических факторов, потому что на Луне всего этого нет. Главные угрозы для них — микрометеориты и пыль, которая постепенно оседает на поверхности. За 57 лет старые панели стали возвращать примерно в 10 раз меньше фотонов, чем в 1969 году. Причиной считают накопление пыли и тепловые искажения отдельных призм в лунный день. Но даже в таком состоянии отражатели по-прежнему полезны. Сейчас главная задача ученых уже не просто поймать сигнал, а учесть все мелкие факторы, которые могут влиять на результат, вплоть до температурного расширения панели и положения отдельных призм.
Самым сильным сигналом до сих пор отличается отражатель Apollo 15, потому что он крупнейший из трех американских панелей. Именно он остается основным рабочим инструментом для современной лазерной локации Луны.
При этом работа над такими системами продолжается. Уже создано новое поколение лунных отражателей. Один из них, NGLR-1, доставили в район Моря Кризисов в марте 2025 года на посадочном аппарате Blue Ghost 1 компании Firefly Aerospace. Европейские и американские станции смогли провести измерения с его помощью всего через несколько дней после посадки. Позже на южный полюс Луны планируют отправить еще один отражатель в составе другой миссии.
Новые приборы должны расширить сеть точек измерения на лунной поверхности. Кроме того, исследователи рассчитывают использовать метод, при котором один и тот же отраженный сигнал одновременно принимают сразу несколько наземных станций. По оценкам, это может еще заметнее повысить точность данных о внутреннем строении Луны и особенностях ее движения.
При этом сами отражатели остаются почти символом долговечности космической техники. Их создали государства и организации, политическая и научная обстановка вокруг которых давно изменилась, но зеркальные панели все еще лежат на лунном грунте и продолжают отвечать на лазерные импульсы с Земли. Панель Apollo 11 установлена примерно в 18 м от посадочной ступени Eagle, которая по-прежнему стоит в Море Спокойствия. Следы астронавтов рядом тоже сохранились. И пока на Земле есть телескопы, способные посылать точные импульсы, эти отражатели продолжают давать ученым новые данные о Луне и ее медленном удалении от нашей планеты.
