فاصله سنجی تا ماه

از 30 تیر 1348 / 21 جولای 1969، هنگامی که بشر توانست نخستین بار بر سطح ماه قدم بگذارد، بیش از چهل و یک سال سپری شده است و امروز به یقین می دانیم که از آن زمان تاکنون کره ی ماه به طور متوسط حدود 5/1 متر از زمین دور شده است! ما این آگاهی امروزمان را مدیون نیل آرمسترانگ و ادوین آلدرین هستیم که موفق شدند در مأموریت آپولو 11، دستگاه مسافت سنج لیزری را بر سطح ماه قرار دهند تا دانشمندان به کمک این دستگاه بتوانند در هر لحظه فاصله  زمین تا ماه را به دست آورند.

در این مطلب به جنبه ی دیگری از رصدهای ماه از زمین می پردازیم. رصدهایی خاص که به کمک ابزارهای نصب شده در ماه منجر به فاصله سنجی های دقیق از ماه می شود و در نتیجه ی آن، دانشمندانی که داده های به دست آمده از پروژه های فاصله سنجی لیزری ماه را تجزیه و تحلیل می کنند، می توانند به دستاوردهای با ارزشی دست یابند.

آن ها می توانند با تعیین دقیق فاصله ی زمین تا ماه اطلاعات بسیاری از دینامیک ماه و ترکیبات ساختاری آن به دست آورند. دکتر جین دیکی از محققان آزمایشگاه جت پروپالشن ناسا (JPL) می گوید: «ما با این فناوری در حال حاضر سند محکمی داریم که نشان می دهد هسته ی ماه به صورت مایع است.  حتی به این نتیجه رسیدیم که حدود 20 درصد شعاع کره ی ماه را هسته ی آن تشکیل داده است. همچنین مسافت سنج لیزری این امکان را به ما داده است تا هر سال با سنجش دقیق سرعت چرخش ماه تغییرات سرعت آن را، که به سبب اثر گرانش زمین و خورشید بر ماه است، به دست آوریم. در نتیجه توانسته ایم میزان کاهش سرعت ماه به دور زمین و بنابراین سرعت دور شدن ماه از زمین را با دقت بسیار بالا تا حد میلی متر اندازه گیری کنیم».

منظور از مسافت سنج، صفحه ی بازتابنده ای از جنس سیلیس است که با ابعادی در حدود 40 سانتی متر روی پایه ای آلومینیومی به ارتفاع نیم متر قرار گرفته است و مانند هر آینه ای، پرتوهای تابیده شده را در جهت مخالف آن بازتاب می دهد. روال کار برای سنجش فاصله به این صورت است که ابتدا از سوی رصدخانه های زمینی پرتوهای لیزری تک فاز (تک رنگ) به سوی بازتابنده ی مستقر در ماه تابیده می شود. پرتو لیزر پس از طی مسافتی تا ماه، با برخورد به بازتابنده، این بار در جهت عکس و به سوی زمین بازتاب می شود. از آن جایی که امروزه سرعت نور در هر ثانیه را با دقت بسیار بالایی می دانیم، کافی است مدت زمان این حرکت رفت و برگشت از زمین تا ماه و بالعکس را به دقت ثبت کنیم. این فاصله ی زمانی به علت اوج و حضیض مداری ماه و سایر عوامل فیزیکی همیشه ثابت نیست. اما به طور میانگین چیزی در حدود 5/2 ثانیه است. با به دست آوردن این فاصله ی زمانی خواهیم توانست فاصله ی زمین تا ماه را به دقت اندازه گیری کنیم.

ممکن است این پرسش را بپرسید که دانشمندان چگونه پرتو لیزر را روانه ی ماه می کنند؟ شاید تعجب کنید، اما آن ها برای تابش پرتو لیزر به سوی ماه از سامانه ی اپتیکی تلسکوپ ها استفاده می کنند! همان طور که می دانید هنگامی که برای رصد آسمان از تلسکوپ استفاده می کنیم، بسته به این که قطر دهانه ی تلسکوپ چقدر باشد، پرتوها به طور موازی و با پهنای بیشتری از اجرام دوردست آسمان وارد دهانه تلسکوپ و در نقطه ی کانون آینه ی اصلی تلسکوپ هم گرا می شوند و در این حین از آینه ی ثانویه به سوی چشمی تلسکوپ هدایت می شوند. پرتوهایی که از چشمی تلسکوپ خارج می شوند، این بار دسته ای از پرتوهای موازی اند با پهنای کمتر و در حدّ چند میلی متر (به اندازه ی قطر مردمک چشم انسان). برای آن که بتوانیم پرتو نازک لیزر را با پهنای بیشتری به سوی ماه هدایت کنیم، کافی است از عکس فرایند تلسکوپ ها بهره ببریم. یعنی ابتدا پرتو لیزر از جایی که چشمی تلسکوپ قرار دارد، وارد تلسکوپ شود و سپس از آینه ی ثانویه به آینه ی اصلی بتابد. آینه ی اصلی تلسکوپ نیز پرتوهای لیزر را به صورت تقریباً موازی و با پهنای بیشتری به سوی ماه ارسال می کند.

اگر این عمل را با تلسکوپی به قطر دهانه ی یک متر انجام دهیم، پرتوهایی که به سطح ماه می رسند در نهایت پهنایی در حدود 6 متر خواهند داشت. اما توجه کنید آرایه های بازتابنده در سطح ماه هم ابعاد بسیار کوچکی دارند و در مقایسه با فاصله ی بسیار زیاد زمین تا ماه، پهنای 6 متری هم چندان کافی نیست. این درست همانند شلیک گلوله ای به سوی یک سیبل در فاصله ی 400 کیلومتری است! به همین سبب هر چند فرایند ارسال پرتوها ساده است، هدف گیری دقیق دهانه ی تلسکوپ به سوی آرایه ها کار بسیار سخت و طاقت فرسایی است. فراموش نکنید ماه و زمین نیز هر کدام در فضا جداگانه در حال حرکت اند. در ادامه، اعضای گروه کاری پس از تنظیم دقیق تلسکوپ و برخورد موفق آمیز پرتوها به بازتابنده ها، بلافاصله به سراغ تجهیزات ثبت کننده نظیر صفحه های بسیار حساس عکاسی، فیلترها و تقویت کننده ها برای دریافت سیگنال های برگشتی از ماه می روند. نکته ی جالب این جاست که مشاهده ی پرتوهای بازگشتی با چشم برهنه بسیار سخت و عملاً ناممکن است. چرا که حتی در بهترین شرایط جوّی نیز فقط یک فوتون در چند ثانیه دریافت می شود. بد نیست بدانید پرتوهای تابیده شده به سوی ماه در هر ثانیه 17 10 فوتون است اما در بازگشت، فقط یک فوتون در چند ثانیه به زمین می رسد. با وجود این دریافت همین یک فوتون و ثبت زمان رفت و برگشت آن از زمین به ماه و بالعکس کافی است تا بتوانیم به هدف اصلی، که همان سنجش فاصله ی زمین تا ماه است، برسیم.

در حال حاضر سه دستگاه بازتابنده بر روی سطح ماه قرار دارند که در طی مأموریت های آپولو 11، 14 و 15 در نزدیکی محل فرود آن ها قرار گرفته اند. نخستین آزمایش موفقیت آمیز سنجش فاصله ی ماه تا زمین در سال 1341 /1962 و هنگامی انجام شد که گروهی از مؤسسه ی فناوری ماساچوستس (MIT) موفق به رصد و آشکار سازی پالس های لیزری بازتاب شده از ماه، با دقتی در حدّ میلی ثانیه شدند. از آن روز تاکنون بارها این سنجش فاصله انجام شده است. امروزه از داده های به دست آمده از این سنجش فاصله می دانیم میزان شبانه روز زمینی به سبب اصطکاک جوّ، جذر و مدّ اقیانوس ها و هسته ی زمین به مقدار یک هزارم ثانیه در سال تغییر می کند. همچنین توانسته ایم میزان جا به جایی صفحه های پوسته ی زمین را با دقت خوبی اندازه گیری کنیم و تحت نظر داشته باشیم.»

منابع:

وب گاه مؤسسه ی ماه و سیارات lpi.usra.edu

بخش گرفت ها در وبگاه ناسا eclipse.gsfc.nasa.gov

برگرفته از:

ماهنامه نجوم 197 (محمد حسین الماسی)

تنظیم برای تبیان:

م.ح.اربابی فر