El astronauta Edwin E. Aldrin Jr. se mueve hacia una posición para desplegar dos componentes del Paquete de Experimentos Científicos Temprano de Apolo (EASEP,
Early Apollo Scientific Experiments Package ) en la superficie de la Luna durante la actividad extravehicular del Apolo 11. El Paquete de Experimentos Sísmicos Pasivos (PSEP) está en su mano izquierda; y en su mano derecha está el retro-reflector láser (LR3). El astronauta Neil A. Armstrong, comandante, tomó esta fotografía con una cámara de superficie lunar de 70 mm.
Crédito: NASA.
Neil Armstrong, Buzz Aldrin y Michael Collins se retiraron de la Luna hace 50 años, pero uno de los experimentos que dejaron allí continúa devolviendo nuevos datos hasta el día de hoy: matrices de prismas que reflejan la luz hacia su fuente, y permiten la comprensión de varios aspectos del sistema “Tierra – Luna”. Junto con los astronautas del Apolo 11, los del Apolo 14 y 15 también dejaron matrices: los del Apolo 11 y 14 tienen 100 prismas de vidrio de cuarzo (llamados cubos de esquina) cada uno, mientras que la matriz del Apolo 15 tiene 300.
Una porción de la matriz del retrorreflector láser lunar de Apollo 15 colocada en la Luna y fotografiada por David Scott, Comandante de Apolo 15.
Créditos: NASA / D. Scott.
Diagrama que muestra cómo funciona un reflector de esquina . Un reflector de esquina consta de tres superficies reflectantes planas en ángulos rectos unidas en los bordes. Tiene la propiedad de reflejar rayos de luz u ondas de radio desde cualquier dirección hacia la fuente de donde provienen. El diagrama muestra un reflector de esquina que refleja dos rayos de diferentes direcciones (líneas negras y rojas) . Cada rayo se refleja tres veces, una vez desde cada superficie.
Crédito: Wkimedia Commons, autor: Chetvorno.
Retroreflector Lunar de próxima generación (NGLR, izquierda) junto a una versión de la era de Apolo. Puede verse el reflejo de la cámara en ambos porque siempre reflejan la luz en la dirección desde la que llega. El sobre del CD en la parte posterior proporciona una referencia de tamaño.
Crédito: D. Currie / Univ. de Maryland.
La longevidad del experimento se puede atribuir, al menos en parte, a su simplicidad: las matrices en sí mismas no requieren energía. Cuatro telescopios en los observatorios de Nuevo México, Francia, Italia y Alemania disparan láseres, midiendo el tiempo que tarda un pulso láser en rebotar en los reflectores y regresar a la Tierra. Esto permite medir la distancia dentro de una fracción de pulgada (unos pocos milímetros), y los científicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro analizan los resultados.
APOLLO (Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation) disparando un láser a la Luna. El pulso del láser se refleja en los
retrorreflectores de la Luna (ver más abajo) y se devuelve al telescopio.
El tiempo de ida y vuelta indica la distancia a la Luna con gran precisión. En esta imagen, la Luna está muy sobre expuesta, necesario para hacer visible el rayo láser.
Crédito: Wkimedia Commons.
La órbita, la rotación y la orientación de la Luna están determinadas con precisión por el alcance del láser lunar. Conocer la órbita lunar y la orientación de la Luna en rotación son necesarias para las naves espaciales que orbitan y aterrizan en la Luna. Por ejemplo, las cámaras de las naves espaciales en órbita lunar pueden ver las matrices reflectantes, confiando en ellos como ubicaciones con una precisión de menos de un pie (0.3048 metros).
Las mediciones del alcance del láser también han profundizado nuestra comprensión de la danza entre la Luna y la Tierra. La Luna orbita la Tierra a una distancia promedio de 239,000 millas (385,000 kilómetros), pero el alcance del láser lunar ha demostrado con precisión que la distancia entre los dos aumenta en 1.5 pulgadas (3.8 centímetros) por año.
Vista en primer plano, tomada el 5 de Febrero de 1971, del retro-reflector de alcance láser (LR3), que los astronautas del Apolo 14 desplegaron en la Luna durante su actividad extravehicular en la superficie lunar.
Crédito: NASA.
Las mareas en los océanos de la Tierra son más altas no cuando la Luna está arriba, sino horas más tarde. La marea más alta está al este de la Luna. Hay dos protuberancias de marea, la segunda medio día después. La fuerza gravitacional entre las protuberancias de las mareas y la Luna tira contra y ralentiza la rotación de la Tierra mientras también empuja a la Luna hacia adelante a lo largo de la dirección en que se mueve en su órbita alrededor de la Tierra. La fuerza de avance hace que la Luna se aleje en espiral de la Tierra en 0,1 pulgadas (3 milímetros) cada mes.
La Luna provoca mareas sobre la Tierra.
Debido a que la Tierra gira más rápido que lo que la Luna lo hace en su órbita (24 horas contra 27 días), nuestro planeta obliga a la posición de la marea alta a ocurrir delante de donde está la Luna, no directamente debajo de la Luna (ver diagrama). Básicamente, la Tierra está empujando la marea alta por delante de la Luna. Se necesita energía para que la Tierra haga avanzar la marea de esta manera y cada vez que una marea oceánica se encuentra con un continente, gran parte de esa energía se pierde. Por lo tanto, las mareas están drenando energía de la rotación de la Tierra, disminuyendo su velocidad. Debido a esta pérdida de energía de rotación en aproximadamente mil millones de años, la Tierra girará a la misma velocidad que la Luna la orbita. Ambos mantendrán los mismos lados uno frente al otro.
Esta es la configuración actual del sistema Pluto-Charon. También, hace unos pocos miles de millones de años, la misma pérdida de energía rotacional impulsada por los efectos de la marea ralentizó a la Luna hasta que mantuvo el mismo lado hacia la Tierra. Las mareas levantadas en la Luna por la Tierra causaron que eso sucediera (note que las mareas en la Luna ocurren en la corteza rocosa).
Crédito: Planetary Science Institute.
De manera similar, la gravedad de la Tierra tira de la Luna, causando dos protuberancias de marea de la roca lunar. De hecho, las posiciones de las matrices reflectantes varían hasta seis pulgadas (15 centímetros) hacia arriba y hacia abajo cada mes a medida que la Luna se flexiona. La medición de cuánto se movieron las matrices ha permitido a los científicos comprender mejor las propiedades elásticas de la Luna (una medida de esto, llamada número de Love, lleva el nombre del científico A.E.H. Love).
El análisis de los datos del láser lunar muestra que la Luna tiene un núcleo fluido. Esto fue una sorpresa cuando se descubrió hace dos décadas porque muchos científicos pensaron que el núcleo sería frío y sólido. El núcleo fluido afecta a las direcciones en el espacio de los polos norte y sur de la Luna, que el láser lunar detecta.
Una representación artística del núcleo lunar como se identificó en nuevos hallazgos por un equipo de investigación liderado por la NASA.
Créditos: NASA / MSFC / Renee Weber.
La teoría de la gravedad de Einstein supone que la atracción gravitatoria entre dos cuerpos no depende de su composición. La gravedad del Sol atrae a la Luna y la Tierra. Si esta atracción dependiera de la composición de los dos objetos, afectaría la órbita lunar. La Tierra contiene más hierro que la Luna. El análisis de los datos del experimento de rango de láser lunar no encuentra diferencias en cómo la gravedad atrae a la Luna y la Tierra debido a su composición.
La estrella del norte está casi encima del polo norte de la Tierra. Ese polo cambia de dirección en comparación con las estrellas debido a la atracción gravitatoria de la Luna y el Sol debida a la forma de la Tierra (el diámetro en el ecuador es mayor que el diámetro en los polos). El polo trazará un círculo en el cielo que regresará a la estrella del norte en 26,000 años. Este movimiento del polo es detectado y medido por el experimento del láser lunar.
Estrellas que se alinean con el polo Norte terrestre en diversos momentos del movimiento de precesión terrestre. Debido a este giro del eje de la Tierra el paisaje de estrellas que vemos en el firmamento varía muy lentamente con el tiempo. En el momento actual el eje de la Tierra apunta a Polaris, actual Estrella Polar (llamada así por ser la estrella situada encima de nuestro polo Norte). Con el transcurso del tiempo el eje de la Tierra irá pasando sucesivamente, a intervalos de unos 6.000 años, por Alpha Draconis, Vega, Deneb y Al Deramin para volver a Polaris al cabo de unos 26.000 años. Más información.
Crédito:CSIC / Museo Virtual de la Ciencia.
Con un renovado interés en la exploración de la Luna, la NASA ha aprobado una nueva generación de reflectores que se colocarán en la superficie lunar en la próxima década. La mejora en el rendimiento de los nuevos reflectores y su distribución geográfica más amplia en la Luna permitiría mejorar las pruebas de la relatividad de Einstein, estudiar el interior lunar profundo, investigar la historia de nuestro vecino celeste y apoyar la exploración futura. El legado de la primera visita humana a la Luna hace medio siglo, continuará.
Fuente: NASA / Jet Propulsion Laboratory (JPL).
Artículo original: “The Apollo Experiment That Keeps on Giving“.
DC Agle
Material relacionado:
Una descripción de los experimentos científicos del Programa APOLO, se encuentra en los siguientes sitios:
EASEP (Apollo Scientific Experiments Package) Press, Backgrounder. Daniel H. Schurz, Director of Public Relations, The Bendix Corporation Aerospace Systems Division / NASA / APOLLO Lunar Surface Journal / John Dunn.
Apollo Lunar Surface Experiments Package. Wikipedia.
Sitios que contiene información detallada sobre el experimento Láser de Apolo son :
APOLLO (the Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation)
McDonald Laser Ranging Station. University of Texas McDonald Observatory.
Sobre los hallazgos científicos del Experimento de Láser Lunar de Apolo y nuevos diseños para el futuro:
Wellesley Physicist Researches the Moon Using Instrument Left by Apollo 11. Wellesley College, Massachusetts. July 19, 2019.
NASA green lights upgrade of Apollo era lunar laser experiment. David Szondy. New Atlas. July 14, 2019.
Lunar laser ranging: 40 years of high-level science. Mark Crawford. SPIE Dec. 18, 2009.
Shrinking Moon Linked to Earth’s Tidal Forces. Michelle Z. Donahue. Smithsonian Insider. Oct. 5, 2015.
Una explicación del Movimiento de Precesión del eje de rotación terrestre:
LA PRECESIÓN DE LOS EQUINOCCIOS. Una propuesta pedagógica para docentes de la escuela secundaria. Dr. Alejandro Gangui. Instituto de Astronomía y Física del Espacio, UBA-CONICET, Argentina. arxiv.org. Puede verse el mismo artículo en edición más formal en: Ciencia Hoy, Volumen 18 número 107 Octubre-Noviembre 2008.
Para entender el movimiento giroscópico los siguientes videos nos permiten apreciar las peculiaridades del mismo:
Práctica de Física: Giróscopo. Gabinete de Tele-Educación de la Universidad Politécnica de Madrid. Marzo 14, 2013.
Rolling Motion, Gyroscopes, VERY NON-INTUITIVE. Lectures by Walter Lewin. Para el lector sin conocimientos previos de Mecánica, saltar la parte teórica e ir a las demostraciones experimentales.
