Decine di volte nell'ultimo decennio gli scienziati della NASA hanno lanciato raggi laser su un riflettore delle dimensioni di un romanzo tascabile di circa 240, 000 miglia (385, 000 chilometri) di distanza dalla Terra. Hanno annunciato oggi, in collaborazione con i loro colleghi francesi, che hanno ricevuto il segnale per la prima volta, un risultato incoraggiante che potrebbe migliorare gli esperimenti laser utilizzati per studiare la fisica dell'universo.

Il riflettore a cui miravano gli scienziati della NASA è montato sul Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), un veicolo spaziale che studia la luna dalla sua orbita dal 2009. Uno dei motivi per cui gli ingegneri hanno posizionato il riflettore su LRO era che potesse fungere da obiettivo incontaminato per aiutare a testare il potere riflettente dei pannelli lasciati sulla superficie lunare circa 50 anni fa. Questi vecchi riflettori restituiscono un segnale debole, che sta rendendo più difficile usarli per la scienza.

Gli scienziati hanno utilizzato i riflettori sulla luna sin dall'era Apollo per saperne di più sul nostro vicino più prossimo. È un esperimento abbastanza semplice:puntare un raggio di luce sul riflettore e cronometrare il tempo necessario affinché la luce ritorni. Decenni di questa misurazione hanno portato a importanti scoperte.

Una delle più grandi rivelazioni è che la Terra e la luna si stanno lentamente allontanando alla velocità con cui crescono le unghie, o 1,5 pollici (3,8 centimetri) all'anno. Questo divario crescente è il risultato delle interazioni gravitazionali tra i due corpi.

"Ora che raccogliamo dati da 50 anni, possiamo vedere tendenze che altrimenti non saremmo stati in grado di vedere, " disse Erwan Mazarico, uno scienziato planetario del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland che ha coordinato l'esperimento LRO che è stato descritto il 7 agosto sulla rivista Earth, Pianeti e spazio.

"La scienza del raggio laser è un gioco lungo, " Disse Mazzarico.

Ma se gli scienziati vogliono continuare a utilizzare i pannelli di superficie anche in futuro, hanno bisogno di capire perché alcuni di loro stanno restituendo solo un decimo del segnale previsto.

Ci sono cinque pannelli riflettenti sulla luna. Due furono consegnati dagli equipaggi dell'Apollo 11 e 14 nel 1969 e nel 1971, rispettivamente. Sono composti ciascuno da 100 specchi che gli scienziati chiamano "cubi angolari, " in quanto sono gli angoli di un cubo di vetro; il vantaggio di questi specchi è che possono riflettere la luce in qualsiasi direzione provenga. Un altro pannello con 300 cubi angolari è stato lanciato dagli astronauti dell'Apollo 15 nel 1973. I rover robotici sovietici chiamati Lunokhod 1 e 2, che sbarcò nel 1970 e 1973, portare due riflettori aggiuntivi, con 14 specchi ciascuno. Collettivamente, questi riflettori costituiscono l'ultimo esperimento scientifico funzionante dell'era Apollo.

Alcuni esperti sospettano che la polvere possa essersi depositata su questi riflettori nel tempo, forse dopo essere stato sollevato da impatti di micrometeoriti sulla superficie lunare. Di conseguenza, la polvere potrebbe impedire alla luce di raggiungere gli specchi e anche isolare gli specchi e farli surriscaldare e diventare meno efficienti. Gli scienziati speravano di utilizzare il riflettore di LRO per determinare se fosse vero. Hanno pensato che se avessero trovato una discrepanza nella luce restituita dal riflettore di LRO rispetto a quella di superficie, potrebbero utilizzare modelli di computer per verificare se polvere, o qualcos'altro, è responsabile. Qualunque sia la causa, gli scienziati potrebbero quindi spiegarlo nella loro analisi dei dati.

Nonostante i loro primi esperimenti di laser range di successo, Mazarico e il suo team non hanno ancora risolto la questione della polvere. I ricercatori stanno perfezionando la loro tecnica in modo da poter raccogliere più misurazioni.

L'arte di inviare un raggio di fotoni sulla luna... e riaverlo indietro

Intanto, gli scienziati continuano a fare affidamento sui riflettori di superficie per imparare cose nuove, nonostante il segnale più debole.

Misurando quanto tempo impiega la luce laser a rimbalzare, circa 2,5 secondi in media, i ricercatori possono calcolare la distanza tra le stazioni laser terrestri e i riflettori lunari fino a meno di un pollice, o pochi millimetri. Questo è circa lo spessore di una buccia d'arancia.

Oltre alla deriva Terra-Luna, tali misurazioni per un lungo periodo di tempo e attraverso diversi riflettori hanno rivelato che la luna ha un nucleo fluido. Gli scienziati possono dirlo monitorando le minime oscillazioni mentre la luna ruota. Ma vogliono sapere se c'è un nucleo solido all'interno di quel fluido, disse Vishnu Viswanathan, uno scienziato Goddard della NASA che studia la struttura interna della luna.

"Conoscere l'interno della luna ha implicazioni più grandi che coinvolgono l'evoluzione della luna e spiegano i tempi del suo campo magnetico e come si è estinto, " Disse Viswanathan.

Le misurazioni magnetiche dei campioni lunari restituiti dagli astronauti dell'Apollo hanno rivelato qualcosa che nessuno si aspettava, data la dimensione della luna:il nostro satellite aveva un campo magnetico miliardi di anni fa. Gli scienziati hanno cercato di capire cosa potrebbe averlo generato all'interno della luna.

Gli esperimenti laser potrebbero aiutare a rivelare se c'è materiale solido nel nucleo della luna che avrebbe aiutato ad alimentare il campo magnetico ormai estinto. Ma per saperne di più, gli scienziati devono prima conoscere la distanza tra le stazioni terrestri e i riflettori lunari con un grado di precisione maggiore rispetto agli attuali pochi millimetri. "La precisione di questa misurazione ha il potenziale per affinare la nostra comprensione della gravità e dell'evoluzione del sistema solare, " ha detto Xiaoli Sun, uno scienziato planetario Goddard che ha aiutato a progettare il riflettore di LRO.

Portare più fotoni sulla luna e tornare indietro e tenere maggiormente conto di quelli persi a causa della polvere, ad esempio, sono un paio di modi per aiutare a migliorare la precisione. Ma è un compito titanico.

Considera i pannelli di superficie. Gli scienziati devono prima individuare la posizione precisa di ciascuno, che cambia costantemente con l'orbita della luna. Quindi, i fotoni laser devono viaggiare due volte attraverso la spessa atmosfera terrestre, che tende a disperderli.

Così, quello che inizia come un raggio di luce di circa 10 piedi, o pochi metri, largo sul terreno può estendersi per più di un miglio, o due chilometri, quando raggiunge la superficie della luna, e molto più ampio quando rimbalza indietro. Ciò si traduce in una possibilità su 25 milioni che un fotone lanciato dalla Terra raggiunga il riflettore dell'Apollo 11. Per i pochi fotoni che riescono a raggiungere la luna, c'è una possibilità ancora più bassa, uno su 250 milioni, che lo faranno indietro, secondo alcune stime.

Se quelle probabilità sembrano scoraggianti, raggiungere il riflettore di LRO è ancora più impegnativo. Per uno, è un decimo delle dimensioni dei pannelli più piccoli dell'Apollo 11 e 14, con solo 12 specchi angolari a cubo. È anche collegato a un obiettivo in rapido movimento delle dimensioni di un'auto compatta che è 70 volte più lontano da noi di quanto Miami sia da Seattle. Il tempo alla stazione laser influisce sul segnale luminoso, pure, come fa l'allineamento del Sole, luna e Terra.

Ecco perché, nonostante diversi tentativi nell'ultimo decennio, gli scienziati della NASA Goddard non sono stati in grado di raggiungere il riflettore di LRO fino alla loro collaborazione con i ricercatori francesi.

Il loro successo finora si basa sull'utilizzo di una tecnologia avanzata sviluppata dal team Géoazur presso l'Université Côte d'Azur per una stazione laser a Grasse, Francia, che può pulsare una lunghezza d'onda della luce infrarossa a LRO. Un vantaggio dell'utilizzo della luce infrarossa è che penetra nell'atmosfera terrestre meglio della lunghezza d'onda verde visibile della luce che gli scienziati hanno tradizionalmente utilizzato.

Ma anche con la luce infrarossa, il telescopio di Grasse ha ricevuto solo circa 200 fotoni su decine di migliaia di impulsi lanciati a LRO durante alcune date nel 2018 e nel 2019, Mazarico e il suo team riferiscono nel loro articolo.

Potrebbe non sembrare molto, ma anche pochi fotoni nel tempo potrebbero aiutare a rispondere alla domanda sulla polvere del riflettore di superficie. Un ritorno di successo del raggio laser mostra anche la promessa di utilizzare il laser a infrarossi per il monitoraggio preciso delle orbite della Terra e della luna, e di usare molti piccoli riflettori, forse installati sui lander lunari commerciali della NASA, per farlo. Questo è il motivo per cui alcuni scienziati vorrebbero vedere riflettori nuovi e migliorati inviati a più regioni della luna, che la NASA sta progettando di fare. Altri chiedono di dotarsi di più strutture in tutto il mondo dotate di laser a infrarossi che possono pulsare sulla luna da diverse angolazioni, che può migliorare ulteriormente la precisione delle misurazioni della distanza. Nuovi approcci alla gamma laser come questi possono garantire che l'eredità di questi studi fondamentali continuerà, dicono gli scienziati.