باز آلدرین، فضانورد ماموریت آپولو ۱۱، در ژوئیه ۱۹۶۹ چشم به موقعیت آرامش (Tranquility Base – محلی روی ماه که انسان در ژوئیه ۱۹۶۹ در آن فرود آمد.) دارد. آرایه بازتابنده لیزری، که آلدرین آن را روی ماه مستقر کرده، در نیمه راه بین فضانورد و فضاپیمای قمری است.

در درجه اول از ماموریت آپولو ۱۱، با تمرکز بر اولین جای پای انسان روی خاک ماه، به‌عنوان یک شاهکار فناوری یاد می‌شود، اما این ماموریت یک دستاورد علمی نیز هست. وقتی نیل آرمسترانگ و باز آلدرین،‌ در ۲۰ ژوئیه ۱۹۶۹، از ماه‌نشین Eagle روی ماه قدم گذاشتند، چندین ابزار اندازه‌گیری کوچک، شامل یک زلزله‌سنج، یک جمع‌کننده ذرات باد خورشیدی و آرایه‌ای از ابزارهای بازتابنده برای تقویت و ارسال پالس‌های لیزری به زمین روی ماه نصب کردند. این وسایل ‌و دیگر وسایلی که بعدها ماموریت‌های دیگر آپولو روی ماه قرار دادند، مدت‌ها پس از آن‌که انسان ماه را ترک کرد روی ماه باقی ماند. آنها چندین نتیجه کلیدی کسب کردند، مانند مشاهده اولین ماه‌لرزه و بررسی آرایش داخلی ماه. ایان کرافورد، دانشمند سیاره‌شناس از دانشگاه لندن، می‌گوید: میراث علمی آپولو بسیار زیاد و پایه بسیاری از ادراکات و شناخت ما از سیاره‌های خاکی بوده است.

بزرگ‌ترین حاصل برنامه علمی آپولو ۱۱ برای جامعه فیزیک از آرایه‌های بازتابنده به‌دست آمده است، که بخشی از آزمایش تنظیم و مسافت‌یابی لیزر قمری (LLR) است. بیش از ۵۰ سال است که دانشمندان بااستفاده‌از پالس‌های لیزری این بازتابنده‌ها فاصله زمین و ماه را با دقت زیاد اندازه‌گیری می‌کنند. برنامه تحقیقاتی LLR، با درنظر گرفتن قمر سنگی به‌عنوان یک آزمایشگاه بزرگ، چندین پیش‌بینی نظریه گرانش را در سطوح بی‌سابقه‌ای آزمایش کرده است.. باتوجه به این موفقیت‌ها، اکنون قرار است که طی یک برنامه ماه‌پیمای تجاری یک بازتابنده LLR بهسازی‌شده به ماه برود. شاید بتوان در ماموریت‌های خدماتی آینده دیگر برنامه‌های فیزیکی، مانند تلسکوپ‌های رادیویی را نیز روی سوی دیگر ماه قرار داد.

مسافت‌یاب لیزری ماه ۵۰‌ساله شد

اولین آرایه LLR طی ماموریت آپولو ۱۱ مستقر شد،‌ اما آرایه‌های دیگر طی ماموریت‌های آپولو ۱۴ و ۱۵ و برنامه‌های رباتیک قمری اتحاد جماهیر شوروی سابق نصب شد. هر آرایه شامل ۱۴ تا ۳۰۰ پس‌بازتابگر (retroreflector) است که هر کدام بخشی از یک تکه شیشه شبیه گوشه بریده‌شده از یک مکعب شیشه‌ای سخت است. نور ورودی به پس‌بازتابگر از هر سه سطح عمودی پشتی بازتاب می‌شود و در همان جهت که وارد شده،‌ خارج می‌شود. محققان روی زمین زمان رفت‌وبرگشت پالس‌های لیزر از این پس‌بازتابنده‌ها و بازگشت آنها به آشکارسازهای زمینی را اندازه‌گیری کردند، حدود ۲.۵ ثانیه. اولین بازتاب لیزری در اول آگوست ۱۹۶۹ در رصدخانه Lick در کالیفرنیا ثبت شد، اما از آن زمان به‌بعد تسهیلات زیادی در آمریکا، شوروی، فرانسه و دیگر کشورها از آرایه‌های LLR استفاده کردند.

از آنجا که آرایه‌های پس‌بازتابگر به نیرویی احتیاج ندارند، تنها تجهیزات باقی‌مانده نصب‌شده‌ی فضانوردان روی ماه هستند که هنوز کار می‌کنند. تام مورفی، از دانشگاه کالیفرنیا در سن‌دیگو، که محقق سرپرست عملکرد مسافت‌یاب لیزری ماه در رصدخانه آپاچی پوینت (APOLLO) که از سال ۲۰۰۵ درحال کار است، می‌گوید: آزمایش LLR به‌صورت شگفت‌انگیزی طولانی بوده است و ثبت قابل‌توجهی از نتایج برای ما فراهم کرده است. مورفی و همکارانش از نوک کوهی در جنوب نیومکزیکو، پالس‌های ۱۰۰ پیکوثانیه‌ای لیزر را در پنج آرایه LLR روی ماه روشن کرده و نور بازگشتی را جمع کردند. بازده کار بسیار ناچیز بود: حدود ۱ در هر ۱۰^۱۸ فوتون تابش‌شده به‌طور کامل به آشکارساز برگشتند. اما با همین فوتون‌های آشکارسازی‌شده اندک نیز محققان می‌توانند فاصله زمانی را اندازه‌گیری کنند و از روی آن مسافت بین ماه و زمین را با دقت تقریبا میلی‌متری تعیین کنند.

طی یک ماه‌گرفتگی در سال ۲۰۱۴، یک باریکه لیزری از رصدخانه آپاچی پوینت در نیومکزیکو به‌سمت آرایه پس‌بازتابگر آپولو ۱۵ ارسال شد.

گروه مورفی مانند دیگر محققان LLR، چرخش ماه را مدتی پیگیری کردند و با این اطلاعات توانستند چندین آزمون از نظریه گرانشی انجام دهند، مانند تایید اصل هم‌ارزی اینشتین، بررسی ثابت‌بودن ثابت گرانشی نیوتن و اعمال حدودی بر انحراف از 1/r² موردانتظار در قانون گرانش. LLR در موارد زیادی دقیق‌ترین آزمون‌ها از آزمایشات را فراهم می‌آورد (به خلاصه مطلب ۱۶ نوامبر ۲۰۱۷ مراجعه کنید).

مورفی می‌گوید: خوشبختانه ما ماه داریم. ماه آن‌قدر از زمین دور هست که در اصل به دور خورشید بچرخد (مسیر حرکت ماه به‌دور خورشید کاملا متفاوت از مسیر حرکت زمین است). این حقیقت غافلگیرکننده از این نظر اهمیت دارد که آزمون‌های نظریه گرانش در پی اختلالات ناشی از زمین در مسیر حرکت ماه به دور خورشید است. مورفی می‌گوید: اگر ماه به زمین نزدیک‌تر بود، گرانش زمین بر حرکت ماه غلبه می‌کرد و راهبردهای آزمون‌های کنونی کار نمی‌کرد. اگر ماه دورتر بود، نور کافی برای بازتاب وجود نداشت. اگر ما روی مریخ زندگی می‌کردیم، همان آزمون‌های گرانشی با یکی از قمرهای مریخ، فوبوس یا دیموس، این قدر دقیق نبودند.

LLR مناسب برای Facelift

داگ کوری، از کالج پارک در دانشگاه مریلند و‌ از توسعه‌دهندگان پس‌بازتابگرهای آپولو، می‌گوید: انتطار نمی‌رفت که آزمایش‌های LLR این قدر طول بکشد. یکی از اولین نگرانی‌ها این بود که غبار ناشی از ضربات شهاب‌سنگ‌ها به ماه پس‌بازتابگرها را می‌پوشاند و زمان عملگری آنها به چند سال محدود می‌شود. طبق گفته کوری، گردوغبار یک مشکل بود، اما نه آن‌قدر جدی که پیش‌بینی شده بود. (فناوری استفاده از) لیزر سریع‌تر از متراکم‌شدن غبار رشد کرد.

درواقع دقت آزمایش‌های LLR به‌طور مداوم، از ۱۵۰ میلی‌متر در دهه ۱۹۷۰ به چند میلی‌متر کنونی، افزلیش یافته است. دانشمندان برای دستیابی به دقت‌های بالاتر مجبورند که رخگردهای ماه (جنبش‌های نمایان ماه) را درنظر بگیرند؛ رخگرد، لنگش موقعیت مداری ماه ناشی از نوسانات کوچک به جلو و عقب آرایه‌های بازتابنده نسبت به ناظران زمینی است. کوری توضیح می‌دهد که ما نمی‌دانیم فوتون ناظر از سمت نزدیک یا دورِ آرایه می‌آید و این عدم‌قطعیت درباره مسیر دقیق فوتون به خطا در تخمین فاصله زمین و ماه می‌انجامد.

کوری اکنون برای غلبه بر آثار این نوسان روی پروژه جدیدی کار می‌کند: نسل بعدی بازتابشگر قمری (NGLR). این بازتابشگرهای به‌روزشده به‌جای این‌که در یک آرایه باشند به‌صورت ایستگاه‌های تکی طراحی شده‌اند و به این مفهوم است که هیچ عدم‌قطعیتی درباره این که فوتون از کدام بازتابشگر می‌آید وجود ندارد. گروه کوری برای جبران اثر ناشی از مجموع چند بازتابشگر،‌ NGLR را بزرگ‌تر از نمونه‌های پیشین ساخت؛ که درمقایسه با قطر ۳۸ میلی‌متری بازتابشگرهای آپولو، قطر ۱۰۰ میلی‌متر دارند. بااستفاده از NGLR فاصله زمین و ماه را می‌توان با دقت کمتر از میلی‌متر اندازه‌گیری کرد که به محققان اجازه می‌دهد تا به دنبال شواهدی مبنی بر انحراف در مدار ماه بگردند که جایگزین‌های خاص نظریه نسبیت عام پیش‌بینی کرده بود.

نسل جدید بازتابشگرهای ماه (NGLR، سمت چپ) در کنار نسخه مربوط به عصر آپولو. می‌توان بازتاب دوربین را در هر دو دید زیرا هر دوی آنها همیشه نور را از همان سمتی که به آن تابیده شده، بازمی‌تابانند. سی‌دی نشان‌داده‌شده در پشت این دو، برای مقایسه اندازه‌ها است.

مسابقه‌ای برای بازگشت

بازتابشگرهای کوری باید طی چند سال آینده به ماه بروند، چرا که برای برنامه خدمات ترابری تجاری قمری ناسا (CLPS) تاریخ اول جولای انتخاب شده است. برنامه CLPS همکاری مشترکی بین ناسا و شرکت‌های خصوصی‌ای است که به دنبال توسعه فضاپیماهای ماه‌گرد هستند. پیش از این ناسا سه ماموریت خدماتی فضاپیماهای فرود روی ماه ارائه کرده است تا ابزارهای علمی و فناورانه،‌ مانند یک ماه‌نورد سریع و دو ابزار نمونه‌برداری،‌ را تحویل دهد. برنامه CLPS در درازمدت به‌دنبال ایجاد زمینه برای اجرای برنامه آرتمیس ناسا است که هدف آن فرود فضانوردان روی سطح ماه تا سال ۲۰۲۴ و ایجاد پایگاه انسانی روی ماه تا سال ۲۰۲۸ است. به‌موازات آن،‌ اخیرا چین و هند، هر دو، مدارگردها و فضاپیماهایی به ماه ارسال کرده‌اند.

اثری هنری از فضاپیمای ماه‌گرد تجاری در برنامه CLPS، که طی چند سال آینده ابزارهای منتخب ناسا را به ماه ارسال خواهد کرد.

فیزیک‌دانان چه انتظاری از این رقابت فضایی جدید دارند؟ محققان زیادی درباره آنتن‌های رادیویی روی سمت دیگر ماه بحث‌هایی را شروع کرده‌اند. جک برنز، اخترفیزیکدان دانشگاه کلرادو در بولدر، می‌گوید: این جایگاهی است که می‌خواهیم طی دهه آینده به آن برسیم. سمت دیگر ماه که همیشه دور از زمین است (رو به زمین قرار ندارد)، یکی از خاموش‌ترین مکان‌های رادیویی در منظومه شمسی است زیرا دراثر نویزهای (نوفه‌های) الکترومغناطیسی شبکه ارتباطات زمینی پوشیده شده است. همچنین ماه لایه یونوسفر ضخیم زمینی را ندارد، بنابراین امواج رادیویی فرکانس پایین (کمتر از ۳۰ مگاهرتز) می‌توانند به سطح ماه برسند.

تلاش‌های زیادی برای بررسی امکان انجام تحقیقات نجوم رادیویی از ماه درحال انجام است. آژانس فضایی چین روی فضاپیمای Chang’e 4 خود نصب کرده که ژانویه امسال روی سمت دیگر ماه فرود خواهد آمد. برنز و همکارانش به سرپرستی استوارت بیل، از دانشگاه برکلی در کالیفرنیا، نیز آزمایش الکترومغناطیس سطحی ماه (LuSEE) را فراهم کرده‌اند که آنتن‌های رادیویی فرکانس پایین برای جمع‌آوری فعالیت‌های شراراه‌های خورشیدی، مانند تابش‌های رادیویی از مشتری و دیگر سیارات دارد. به زودی LuSEE مانند NGLR با یکی از فضاپیماهای تجاری CLPS به ماه خواهد رفت.

هدف درازمدت استفاده از تلسکو‌‌پ‌های رادیویی برای بررسی «دوره‌های تاریکی» است، زمانی پیش از تشکیل ستارگان، حدود 400 میلیون سال پس از انفجار بزرگ (مقاله ۲ جولای ۲۰۱۸ را ببینید). با دانستن این که زمان‌های اولیه می‌تواند نشان‌دهنده اطلاعاتی درباره ماده تاریک باشد و امکان آزمون‌هایی درباره تورم کیهانی، نظریه‌ای که براساس آن جهان بلافاصله پس از انفجار بزرگ به‌سرعت منبسط شده است پیش از آن‌که سرعت انبساط آن بسیار کندتر شود، می‌دهد. برنز و دیگران، مانند جو سیلک از موسسه اخترفیزیک در پاریس، برای بررسی دوره‌های تاریک طرفدار تنظیم آرایه‌ای از آنتن‌ها روی سمت دیگر ماه هستند. سیلک در کنفرانس اخیر کیهان‌شناسی در اسپانیا گفت: ساخت چنین آرایه‌ای چندان سخت نیست و می‌تواند هدف علمی گسترده‌تری برای دور بعدی ماموریت‌ها به ماه باشد.

همان‌طور که با آپولو نشان داده شد، تحقیق علمی و اکتشافات بشری می‌توانند رابطه متقابل و مفیدی داشته باشند: علم به توجیه هزینه ماموریت‌های فضایی کمک می‌کند، درحالی‌که هم‌زمان مجموعه تلاش‌های زیادی در برنامه‌های فضانوردان باعث بالارفتن سطح تحقیقات می‌شود. کرافورد این‌طور استدلال می‌کند که ماموریت‌های رباتیک نیز اغلب هزینه کمتری دارند و به‌طور کلی در دانشی که آن را انجام می‌دهند، کارآیی کمتری دارند. او می‌گوید این استدلال که بیشتر کار علمی آپولو می‌توانست به‌صورت رباتیک انجام شود، رد گم‌کردن است. برخی از بخش‌های آن می‌شد و بخش‌هایی از آن نمی‌شد، اما نکته اینجاست که بیشتر قسمت‌های کار به هیچ صورت دیگری امکان نداشت.

مایکل شیربر (Michael Schirber) ویراستار مسئول بخش فیزیک در لیون فرانسه است.

مراجع:

A. Crawford, “Dispelling the myth of robotic efficiency,” Astron. Geophys. 53, 2.22 (2012).