文/魯暘筱懿
行星物理博士， 國家遙感中心副研究員
審稿/苟利軍， 國家天文臺研究員
近日， 中科院雲南天文臺利用阿波羅15號任務中置於月面的哈德利峽谷處的反射鏡陣列完成了我國首次月球鐳射測距實驗， 填補了我國在月球鐳射測距領域的空白。 實測資料段顯示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。
那麼， 何為月球鐳射測距？它的原理是什麼？為什麼月球鐳射測距是只有少數國家掌握的技術呢？
故事要從1969年7月21日休斯頓時間下午4時說起......
將鐳射測距反射鏡陣列帶上月球
此時，
這期間， 兩位登月宇航員完成了月球表面岩石標本採集、月表撞擊坑邊緣地質考察、紀念標誌物放置任務。 除此之外， 他們還精心放置了阿波羅計畫初期的月球科學實驗儀器組——被動式月震儀和一台鐳射測距反射鏡陣列。 三天后， 即1969年7月24日， 阿波羅11號返回艙出現在了北太平洋中部約翰斯頓環礁以南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）
那台被永遠留在了月球表面的鐳射測距反射鏡陣列， 僅在一周後就開始了工作。 1969年8月1日， 美國Lick 天文臺用3m 望遠鏡成功地觀測到來自Apollo 11 反射器的鐳射測距回波信號；8月22日， 美國McDonald 天文臺的2.7m望遠鏡亦收到回波信號；隨後對Apollo 11反射器進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，
阿波羅15號搭載的反射鏡陣列（NASA JPL）
從古希臘學者阿裡斯塔克思利用幾何原理測算地球和月球之間的距離開始，
月球鐳射測距， 怎麼做到的？
月球鐳射測距， 其原理簡而言之就是將具有高度同向性脈衝雷射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射方向返回地面測站的光路性質， 通過發送接收時間差計算出地月距離。
原理看似簡單，
月球鐳射測距原理圖（畫者布丁提供）
透過地球大氣層的包圍，一群群光子前赴後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。千辛萬苦到達月面反射鏡後，數以億計的光子兄弟此時已損耗大半。回程時除了遇到之前的同樣的困苦，要想準確鑽回出發時家裡的“被窩”，還需克服大氣擾流襲擾，原子鐘一絲不苟的計時為光子回家打開了大門，而這一切都發生在短短的2.5秒之中。而完成10次這樣地月之旅後，能安然無恙回家的光子最多只有1個。
而雲南天文臺的此次測距，是對多項關鍵技術進行攻關之後才實現的，比如自主研發了用於共光路月球鐳射測距系統來收發轉換的轉鏡，改進了理論模型，提高了望遠鏡的指向精度，改善了探測效率和光學傳輸效率。
月球鐳射測距觀測截圖
掌握月球鐳射測距技術有什麼意義？
自人類首次開展月球鐳射測距實驗以來，經過48年的實驗積累，人類才攢了不足2萬個光子資料。利用這些得來不易的資料，人類精確測算了月球軌道參數，測定了月球形狀，給出了愛因斯坦相對論參數，為未來地月空間探索乃至飛向更遙遠的深空，提供了堅實的資料基礎。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—火星鐳射測距，甚至是星際間測距實驗也已展開。月球鐳射測距，早已開始，卻仍是未完待續的故事......
透過地球大氣層的包圍，一群群光子前赴後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。千辛萬苦到達月面反射鏡後，數以億計的光子兄弟此時已損耗大半。回程時除了遇到之前的同樣的困苦，要想準確鑽回出發時家裡的“被窩”，還需克服大氣擾流襲擾，原子鐘一絲不苟的計時為光子回家打開了大門，而這一切都發生在短短的2.5秒之中。而完成10次這樣地月之旅後，能安然無恙回家的光子最多只有1個。
而雲南天文臺的此次測距，是對多項關鍵技術進行攻關之後才實現的，比如自主研發了用於共光路月球鐳射測距系統來收發轉換的轉鏡，改進了理論模型，提高了望遠鏡的指向精度，改善了探測效率和光學傳輸效率。
月球鐳射測距觀測截圖
掌握月球鐳射測距技術有什麼意義？
自人類首次開展月球鐳射測距實驗以來，經過48年的實驗積累，人類才攢了不足2萬個光子資料。利用這些得來不易的資料，人類精確測算了月球軌道參數，測定了月球形狀，給出了愛因斯坦相對論參數，為未來地月空間探索乃至飛向更遙遠的深空，提供了堅實的資料基礎。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—火星鐳射測距，甚至是星際間測距實驗也已展開。月球鐳射測距，早已開始，卻仍是未完待續的故事......