月亮距离我们有多远？科学家告诉你到月球要几步

　　来源：中国科学院云南天文台

　　1月22日晚，中国科学院云南天文台应用天文研究团组的研究人员成功地接收到了月球激光测距的回波信号，这是中国人首次成功利用激光精确地测量地球距月球的距离。

　　自古以来，人们对夜空中的月亮就充满了好奇、向往与赞美，关于月亮的各种神话传说、诗词歌赋数不胜数。当人们“举头望明月”时，可能会思考这样一个问题：月亮到底距离地上的我们有多远呢？

　　在现代测量技术诞生前，最常用的测量地月距离的方法是视差法。最早有记录的测量地月距离的是公元前四世纪时古希腊的天文学家，通过观测月蚀的几何位置，结合三角法计算出地月距离大约是59―67倍地球半径。此后，人类利用包括掩星法和雷达等在内的各种方法尝试测量地月距离，但测量精度都不高。

　　到了20世纪60年代，在实施登月计划之前，美苏开始进行激光测月试验，但当时只能测量月面漫反射回波，测量精度十分有限。1969年7月21日，美国阿波罗11号登月成功，人类第一次踏上了月球的表面，登月宇航员带了一个激光后向反射器阵列（Apollo11，图1），并将其放置在月面预定位置上。成功登月仅数日之后，美国人即测到了来自 Apollo11 反射器的激光测距回波信号。

　　此后，美国利用阿波罗登月任务相继在月面不同位置放置了 Apollo14、Apollo15 角反射器阵列，前苏联先后利用月球车 Luna17 号与 Luna21 号在月面安置了 Lunakhod17 和 Lunakhod21 反射器阵列，月面上共有5个可供进行激光测月的角反射器阵列（如图2）。从此，月球激光测距 LLR（Lunar Laser Ranging）成为了最精准的地月距离测量手段。


图1 Apollo11反射器阵列


图2 月面反射器分布

　　之后的几十年里，陆续有法国、意大利、德国等的多家测站进行过激光测月相关研究（如图3），但是由于各种原因，能够成功的只有极少数测站。近几年，能够进行常规激光测月的只有法国 Grasse 测站、意大利 Matera 测站以及美国APOLLO（ApachePoint Observatory Lunar Laser-ranging Operation）测站。


图3 开展激光测月研究的测站

　　LLR 作为最精确的地月距离测量手段至今已有近50年，其原理十分简单，即由地面测站向目标发射激光脉冲，测量激光脉冲的往返飞行时间，结合光速，从而计算出地面测站与目标之间的距离。但是，一座完整的 LLR 的地面站主要包括望远镜系统、光路系统、光子探测系统以及其他辅助系统，这是一项涉及多学科领域的复杂的精密技术。


图4 激光测月原理示意图

　　LLR 的观测资料对天文地球动力学、地月科学、月球物理学和引力理论等诸多科学研究有着重要的价值，如测定月球的形状、大小以及表面特征和内部结构，引力理论和广义相对论效应的检验，等效原理的验证，万有引力常数的变化以及日月系统潮汐等。随着 LLR 资料的精度越来越高（目前为亚厘米级），科学研究结果的准确性也在不断提高，LLR 资料可用于研究的科学领域也在不断扩大。

　　我国的卫星激光测距工作始于1972年，至今已经历了从第一代到第三代的发展过程。中国科学院云南天文台应用天文研究团组多年来一直深耕月球激光测距的相关研究。得益于近年来国产大功率激光器的产生（美国的高性能激光器一直对中国禁运）和云南天文台1.2米望远镜硬件的升级，还有科研人员在多项关键技术如收发转镜的研制与控制、望远镜的精确跟踪指向模型、月面特征识别、极微弱信号识别等方面的突破，云南天文台终于具备了激光测月成功的软硬件。他们在2017年11月先后多次进行了地面靶测距实验、低轨卫星测距试验、中高轨卫星测距试验、同步卫星测距试验。2018年1月22日、23日，云南天文台连续测到了来自月面接收器的几个回波信号，实现了中国月球激光测距从无到有的突破。

　　月球激光测距的成功将促进我国在地月科学等领域的科学研究，加深我国对月球的认识。月球激光测距技术由于其测量精度高的特点，将能够为我国引力波探测计划提供技术验证与支持。最重要的是高精度的地月距离测量，可以为我国的嫦娥探月工程做出应有的贡献，相信在不久的将来，中国人的嫦娥奔月将由神话变为现实。随着中国的科技发展与进步，月球激光测距技术将有机会给未来的深空探测卫星保驾护航。