¿Cuál es el equipo mínimo necesario para observar los retrorreflectores lunares del Apolo?

Question

Es bien sabido que los alunizajes del Apolo instalaron retrorreflectores en la Luna, y que éstos pueden utilizarse para reflejar rayos láser hacia la Tierra, con el fin de medir la distancia Tierra-Luna con una precisión exquisita.

Sin embargo, la frase "puede utilizarse", en ese sentido común, rara vez se examina en la práctica. Así que me gustaría preguntar: ¿qué se necesita para observar un haz retrorreflectado desde este equipo?

• ¿Cuál es la anchura mínima limitada por difracción de un rayo láser cuando alcanza la Luna si se envía desde un puntero láser? un telescopio de aficionado a la astronomía? los telescopios que se utilizan actualmente para este fin?
• ¿Cuál es la fracción de la potencia del láser que puede recibirse eficazmente en la Tierra utilizando una abertura equivalente?
• ¿Influye el seeing atmosférico en la degradación de estas observaciones?
• ¿Qué tipos de detectores se necesitan para observar el haz? ¿Qué potencias de láser son necesarias para que el haz reflejado sea visible para detectores razonables?
• ¿Es necesario para ello algún tipo de procesamiento de señales (por ejemplo, emitir una ráfaga de cinco pulsos seguidos y buscar una estructura coincidente en la imagen observada)?
• (y, ya que estamos aquí: ¿qué aspectos legales y de seguridad deben tenerse en cuenta al disparar rayos láser al cielo nocturno?)

Estoy dispuesto a aceptar un relato razonablemente reciente de este tipo de observación, pero sobre todo estoy interesado en una explicación de cuál sería el equipo mínimo para lograrlo, así como explicaciones de cómo las consideraciones físicas en los puntos anteriores se aplican a tal configuración.

Answer 1

Algunas respuestas parciales a algunas de sus preguntas (un poco tarde, pero por alguna razón esto apareció en mi feed ahora):

En el límite de z grande (distancia desde la cintura del haz), el radio del haz w(z) aumenta linealmente con z y el semiángulo del cono se convierte en $\theta = \frac{\lambda}{\pi n w_0}$ . La dispersión angular total de ese cono es entonces $\Theta = 2\theta$ y este cono contiene el 86% de la potencia del rayo láser (con $1/e^2$ definición de la cintura del haz). Así, para un haz lanzado desde un puntero láser estándar (633 nm, 2 mm de diámetro del haz (probablemente un poco grande), suponiendo que la cintura del haz está en la ventana de salida del punto láser) obtendremos un ángulo de divergencia de 0,0115 $^\circ$ . Suena pequeño, pero si no me he equivocado en el cálculo, esto corresponde a un radio de haz en la Luna de la friolera de 80 km de distancia Luna-Tierra 400.000 km). Así que tendrías que elegir un rayo mucho más grande, y aún así el diámetro de tu rayo sería bastante grande para cuando llegue a la luna.

Este papel tiene muchos detalles interesantes. En los primeros experimentos con láser en la Luna, realizados en los años sesenta, se utilizó un telescopio de 2,7 m, lo que daba como resultado un haz de varios kilómetros de diámetro en la Luna. Al parecer, recibían tan sólo 0,01 fotones por pulso, por lo que era necesario promediar entre 10 y 45 minutos.

No cabe duda de que la vista influye. El tiempo de ida y vuelta a la Luna es de aproximadamente 2,5 segundos, y el seeing atmosférico suele cambiar en la escala de los milisegundos (de ahí que los sistemas de óptica adaptativa de los grandes telescopios se esfuercen por alcanzar velocidades de kHz). En el artículo mencionado también se habla de los problemas de visión.

En ese artículo utilizaron láseres pulsados, presumiblemente tanto para medir el tiempo como para aumentar la potencia máxima. Yo diría que cuanta más potencia, mejor.

En cuanto a las cuestiones jurídicas: Sé que los láseres de las estrellas guía de los grandes telescopios deben coordinarse con el control del tráfico aéreo y que, además, disponen de mecanismos de desconexión automática en caso de que un avión se acerque demasiado al haz. A algunos instrumentos de algunos satélites tampoco les gusta ser alcanzados por un potente rayo láser, por lo que, hasta donde yo sé, los operadores de los láseres también tienen en cuenta la posición de los satélites en relación con sus láseres y los desconectan si es necesario. No sé hasta qué punto es fácil obtener los permisos para operar un láser que dispare a la Luna, pero probablemente ayuda el hecho de que los grandes telescopios suelen estar en medio de la nada y no cerca de un aeropuerto importante.