近日，中科院云南天文臺利用阿波羅15號任務(wù)中置于月面的哈德利峽谷處的反射鏡陣列完成了我國首次月球激光測距實驗，填補(bǔ)了我國在月球激光測距領(lǐng)域的空白。實測數(shù)據(jù)段顯示2018年1月22日晚21:25-22:31，地月間距離為385823.433km-387119.600km，實測距離的偏差在1m之內(nèi)。

那么，何為月球激光測距？它的原理是什么？為什么月球激光測距是只有少數(shù)國家掌握的技術(shù)呢？ 

故事要從1969年7月21日休斯頓時間下午4時說起......

將激光測距反射鏡陣列帶上月球

此時，“阿波羅11號”登月任務(wù)宇航員阿姆斯特朗剛剛將“自己一小步，人類一大步”永久的印在了月球靜海表面，隨后宇航員奧爾德林也邁出了歷史性的一步，緊隨阿姆斯特朗開始了月球漫步。整個艙外活動共持續(xù)了2小時31分之久，整個過程對地球上近6億人進(jìn)行了直播。

這期間，兩位登月宇航員完成了月球表面巖石標(biāo)本采集、月表撞擊坑邊緣地質(zhì)考察、紀(jì)念標(biāo)志物放置任務(wù)。除此之外，他們還精心放置了阿波羅計劃初期的月球科學(xué)實驗儀器組——被動式月震儀和一臺激光測距反射鏡陣列。三天后，即1969年7月24日，阿波羅11號返回艙出現(xiàn)在了北太平洋中部約翰斯頓環(huán)礁以南380千米處，順利地完成了這次人類首次登月壯舉。

宇航員奧爾德林在月表放置反射鏡陣列（NASA JPL）

那臺被永遠(yuǎn)留在了月球表面的激光測距反射鏡陣列，僅在一周后就開始了工作。1969年8月1日，美國Lick 天文臺用3m 望遠(yuǎn)鏡成功地觀測到來自Apollo 11 反射器的激光測距回波信號；8月22日，美國McDonald 天文臺的2.7m望遠(yuǎn)鏡亦收到回波信號；隨后對Apollo 11反射器進(jìn)行成功測距試驗的還有美國空軍在亞利桑那州的劍橋研究實驗室、法國的Pic du Mdi天文臺和日本的東京天文臺，開創(chuàng)了人類對地球與月球間距離進(jìn)行精確測量的歷史。

阿波羅15號搭載的反射鏡陣列（NASA JPL）

從古希臘學(xué)者阿里斯塔克思利用幾何原理測算地球和月球之間的距離開始，人類的智慧將地月間的測量誤差從百千米縮小到了厘米級別。目前月球表面共放置了5臺反射鏡陣列，其中尚能展開測距工作的鏡陣列分別位于阿波羅11號、阿波羅14號、和阿波羅15號著陸區(qū)，以及蘇聯(lián)月球車2號駐留點。目前地球上能夠參與或開展月激光測距工作的觀測臺站分別位于美國、法國、意大利和南非，當(dāng)然現(xiàn)在要加上中國了。   

月球激光測距，怎么做到的？

月球激光測距，其原理簡而言之就是將具有高度同向性脈沖激光束射向人工放置在月表的反射鏡陣列，利用角反射鏡能將反射光信號沿原發(fā)射方向返回地面測站的光路性質(zhì)，通過發(fā)送接收時間差計算出地月距離。

原理看似簡單，但這項技術(shù)只有少數(shù)國家才能掌握。置于月球表面面積最大的反射鏡陣列來自阿波羅15號，面積約0.3平方米，陣列中密密麻麻排布著近140個多角反射鏡，對于距此38萬千米之外的地球上的觀測臺站來說，這個反射面積如針孔般渺小。

月球激光測距原理圖（畫者布丁提供）

透過地球大氣層的包圍，一群群光子前赴后繼的從地球奔向月球，途中有天體引力場的干擾，有宇宙時空中引力波的影響，有自身能量的波動和損耗。千辛萬苦到達(dá)月面反射鏡后，數(shù)以億計的光子兄弟此時已損耗大半?；爻虝r除了遇到之前的同樣的困苦，要想準(zhǔn)確鉆回出發(fā)時家里的“被窩”，還需克服大氣擾流襲擾，原子鐘一絲不茍的計時為光子回家打開了大門，而這一切都發(fā)生在短短的2.5秒之中。而完成10次這樣地月之旅后，能安然無恙回家的光子最多只有1個。

而云南天文臺的此次測距，是對多項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)之后才實現(xiàn)的，比如自主研發(fā)了用于共光路月球激光測距系統(tǒng)來收發(fā)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)鏡，改進(jìn)了理論模型，提高了望遠(yuǎn)鏡的指向精度，改善了探測效率和光學(xué)傳輸效率。

月球激光測距觀測截圖

掌握月球激光測距技術(shù)有什么意義？

自人類首次開展月球激光測距實驗以來，經(jīng)過48年的實驗積累，人類才攢了不足2萬個光子數(shù)據(jù)。利用這些得來不易的數(shù)據(jù)，人類精確測算了月球軌道參數(shù)，測定了月球形狀，給出了愛因斯坦相對論參數(shù)，為未來地月空間探索乃至飛向更遙遠(yuǎn)的深空，提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。而我們未來要想攻克諸如探測空間引力波這樣的物理難題，不斷提高的地月距離測量精度是必須的。

放大版的地球—火星激光測距，甚至是星際間測距實驗也已展開。月球激光測距，早已開始，卻仍是未完待續(xù)的故事.