月亮距離我們有多遠？科學(xué)家告訴你到月球要幾步

　　1月22日晚，中國科學(xué)院云南天文臺應用天文研究團組的研究人員成功地接收到了月球激光測距的回波信號，這是中國人首次成功利用激光精確地測量地球距月球的距離。

　　自古以來(lái)，人們對夜空中的月亮就充滿(mǎn)了好奇、向往與贊美，關(guān)于月亮的各種神話(huà)傳說(shuō)、詩(shī)詞歌賦數不勝數。當人們“舉頭望明月”時(shí)，可能會(huì )思考這樣一個(gè)問(wèn)題：月亮到底距離地上的我們有多遠呢?

　　在現代測量技術(shù)誕生前，最常用的測量地月距離的方法是視差法。最早有記錄的測量地月距離的是公元前四世紀時(shí)古希臘的天文學(xué)家，通過(guò)觀(guān)測月蝕的幾何位置，結合三角法計算出地月距離大約是59—67倍地球半徑。此后，人類(lèi)利用包括掩星法和雷達等在內的各種方法嘗試測量地月距離，但測量精度都不高。

　　到了20世紀60年代，在實(shí)施登月計劃之前，美蘇開(kāi)始進(jìn)行激光測月試驗，但當時(shí)只能測量月面漫反射回波，測量精度十分有限。1969年7月21日，美國阿波羅11號登月成功，人類(lèi)第一次踏上了月球的表面，登月宇航員帶了一個(gè)激光后向反射器陣列(Apollo11，圖1)，并將其放置在月面預定位置上。成功登月僅數日之后，美國人即測到了來(lái)自 Apollo11 反射器的激光測距回波信號。

　　此后，美國利用阿波羅登月任務(wù)相繼在月面不同位置放置了 Apollo14、Apollo15 角反射器陣列，前蘇聯(lián)先后利用月球車(chē) Luna17 號與 Luna21 號在月面安置了 Lunakhod17 和 Lunakhod21 反射器陣列，月面上共有5個(gè)可供進(jìn)行激光測月的角反射器陣列(如圖2)。從此，月球激光測距 LLR(Lunar Laser Ranging)成為了最精準的地月距離測量手段。

　　圖1 Apollo11反射器陣列

　　圖2 月面反射器分布

　　之后的幾十年里，陸續有法國、意大利、德國等的多家測站進(jìn)行過(guò)激光測月相關(guān)研究(如圖3)，但是由于各種原因，能夠成功的只有極少數測站。近幾年，能夠進(jìn)行常規激光測月的只有法國 Grasse 測站、意大利 Matera 測站以及美國APOLLO(ApachePoint Observatory Lunar Laser-ranging Operation)測站。

　　圖3 開(kāi)展激光測月研究的測站

　　LLR 作為最精確的地月距離測量手段至今已有近50年，其原理十分簡(jiǎn)單，即由地面測站向目標發(fā)射激光脈沖，測量激光脈沖的往返飛行時(shí)間，結合光速，從而計算出地面測站與目標之間的距離。但是，一座完整的 LLR 的地面站主要包括望遠鏡系統、光路系統、光子探測系統以及其他輔助系統，這是一項涉及多學(xué)科領(lǐng)域的復雜的精密技術(shù)。

　　圖4 激光測月原理示意圖

　　LLR 的觀(guān)測資料對天文地球動(dòng)力學(xué)、地月科學(xué)、月球物理學(xué)和引力理論等諸多科學(xué)研究有著(zhù)重要的價(jià)值，如測定月球的形狀、大小以及表面特征和內部結構，引力理論和廣義相對論效應的檢驗，等效原理的驗證，萬(wàn)有引力常數的變化以及日月系統潮汐等。隨著(zhù) LLR 資料的精度越來(lái)越高(目前為亞厘米級)，科學(xué)研究結果的準確性也在不斷提高，LLR 資料可用于研究的科學(xué)領(lǐng)域也在不斷擴大。

　　我國的衛星激光測距工作始于1972年，至今已經(jīng)歷了從第一代到第三代的發(fā)展過(guò)程。中國科學(xué)院云南天文臺應用天文研究團組多年來(lái)一直深耕月球激光測距的相關(guān)研究。得益于近年來(lái)國產(chǎn)大功率激光器的產(chǎn)生(美國的高性能激光器一直對中國禁運)和云南天文臺1.2米望遠鏡硬件的升級，還有科研人員在多項關(guān)鍵技術(shù)如收發(fā)轉鏡的研制與控制、望遠鏡的精確跟蹤指向模型、月面特征識別、極微弱信號識別等方面的突破，云南天文臺終于具備了激光測月成功的軟硬件。他們在2017年11月先后多次進(jìn)行了地面靶測距實(shí)驗、低軌衛星測距試驗、中高軌衛星測距試驗、同步衛星測距試驗。2018年1月22日、23日，云南天文臺連續測到了來(lái)自月面接收器的幾個(gè)回波信號，實(shí)現了中國月球激光測距從無(wú)到有的突破。

　　月球激光測距的成功將促進(jìn)我國在地月科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究，加深我國對月球的認識。月球激光測距技術(shù)由于其測量精度高的特點(diǎn)，將能夠為我國引力波探測計劃提供技術(shù)驗證與支持。最重要的是高精度的地月距離測量，可以為我國的嫦娥探月工程做出應有的貢獻，相信在不久的將來(lái)，中國人的嫦娥奔月將由神話(huà)變?yōu)楝F實(shí)。隨著(zhù)中國的科技發(fā)展與進(jìn)步，月球激光測距技術(shù)將有機會(huì )給未來(lái)的深空探測衛星保駕護航。