Los rayos láser reflejados entre la Tierra y la Luna impulsan el conocimiento científico.

Representación del Orbitador de reconocimiento lunar de la NASA. Créditos: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA.

Docenas de veces durante la última década, los científicos de la NASA han lanzado rayos láser a un reflector del tamaño de una novela de bolsillo a unos 385.000 kilómetros de la Tierra. Los científicos, han anunciado, en colaboración con sus colegas franceses, que recibieron la señal de regreso por primera vez, un resultado alentador que podría mejorar los experimentos con láser para estudiar la física del Universo.

El reflector al que apuntaban los científicos de la NASA está montado en el Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), una nave espacial que ha estado estudiando la Luna desde su órbita desde 2009. Una razón por la que los ingenieros colocaron el reflector en LRO fue para que pudiera servir como un objetivo prístino para ayudar probar el poder reflectante de los paneles que quedaron en la superficie de la Luna hace unos 50 años. Estos reflectores más antiguos están devolviendo una señal débil, lo que dificulta su uso para la ciencia.

Los científicos han estado usando reflectores en la Luna desde la era Apolo para aprender más sobre nuestro vecino más cercano. Es un experimento bastante sencillo: apuna un rayo de luz al reflector y registra la cantidad de tiempo que tarda la luz en volver. Décadas de hacer esta única medida ha llevado a grandes descubrimientos.

Una de las mayores revelaciones es que la Tierra y la Luna se están separando lentamente a la velocidad a la que crecen las uñas, o 3,8 centímetros por año. Esta brecha cada vez mayor como resultado de interacciones gravitacionales entre los dos cuerpos.

“Ahora que hemos estado recopilando datos durante 50 años, podemos ver tendencias que no hubiéramos podido ver de otra manera”, dijo Erwan Mazarico, científico planetario del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, quien coordinó el Experimento LRO que fue descrito el 7 de agosto en la revista Earth, Planets and Space.

“La ciencia de alcance láser es un juego largo”, dijo Mazarico.

Pero si los científicos van a continuar usando los paneles de superficie en el futuro, necesitan averiguar por qué algunos de ellos están devolviendo solo una décima parte de la señal esperada.

Fotografía de primer plano del panel reflectante láser desplegado por los astronautas del Apolo 14 en la Luna en 1971.
Créditos: NASA.

Hay cinco paneles reflectantes en la Luna. Dos fueron entregados por tripulaciones de Apolo 11 y 14 en 1969 y 1971, respectivamente. Cada uno de ellos está hecho de 100 espejos que los científicos llaman “cubos de esquina”, ya que son esquinas de un cubo de vidrio; el beneficio de estos espejos es que pueden reflejar la luz en cualquier dirección de donde provenga. Los astronautas del Apolo 15 dejaron otro panel con 300 cubos de esquina en 1973. Los rovers soviéticos llamados Lunokhod 1 y 2, que aterrizaron en 1970 y 1973, llevan dos reflectores adicionales, con 14 espejos cada uno. En conjunto, estos reflectores comprenden el último experimento científico de trabajo de la era Apolo.

Algunos expertos sospechan que el polvo puede haberse asentado en estos reflectores con el tiempo, posiblemente después de haber sido levantado por impactos de micrometeoritos en la superficie de la Luna. Como resultado, el polvo podría estar impidiendo que la luz llegue a los espejos y también aislando los espejos y provocando que se sobrecalienten y sean menos eficientes. Los científicos esperaban usar el reflector de LRO para determinar si eso es cierto. Pensaron que si encontraban una discrepancia en la luz devuelta por el reflector de LRO frente a los de la superficie, podrían usar modelos de ordenador para probar si el polvo, u otra cosa, es responsable. Cualquiera que sea la causa, los científicos podrían explicarla en su análisis de datos.

A pesar de sus primeros experimentos exitosos de alcance láser, Mazarico y su equipo aún no han resuelto la cuestión del polvo. Los investigadores están perfeccionando su técnica para poder recopilar más mediciones.

El arte de enviar un rayo de fotones a la luna … y recuperarlo

Mientras tanto, los científicos continúan confiando en los reflectores de superficie para aprender cosas nuevas, a pesar de la señal más débil.

Al medir cuánto tiempo tarda la luz láser en recuperarse (unos 2,5 segundos en promedio), los investigadores pueden calcular la distancia entre las estaciones láser terrestres y los reflectores lunares hasta menos de unos pocos milímetros. Se trata del grosor de una cáscara de naranja.

Además de la deriva Tierra-Luna, tales mediciones durante un largo período de tiempo y en varios reflectores han revelado que la Luna tiene un núcleo fluido. Los científicos pueden saberlo al monitorear los más mínimos bamboleos a medida que la Luna gira. Pero quieren saber si hay un núcleo sólido dentro de ese fluido, dijo Vishnu Viswanathan, un científico de Goddard de la NASA que estudia la estructura interna de la Luna.

“Conocer el interior de la Luna tiene mayores implicaciones que involucran la evolución de la Luna y explicar el momento de su campo magnético y cómo se extinguió”, dijo Viswanathan.

Esta fotografía muestra la instalación de alcance láser en el Observatorio Geofísico y Astronómico Goddard en Greenbelt, Maryland. La instalación ayuda a la NASA a realizar un seguimiento de los satélites en órbita. Ambos rayos que se muestran, provenientes de dos láseres diferentes, apuntan al Lunar Reconnaissance Orbiter de la NASA, que está orbitando la Luna. Aquí, los científicos están utilizando la longitud de onda de luz verde visible. La instalación láser de la Université Côte d’Azur en Grasse, Francia, desarrolló una nueva técnica que utiliza luz infrarroja, que es invisible para el ojo humano, para enviar luz láser a la Luna.
Créditos: NASA.

Las mediciones magnéticas de muestras de la Luna devueltas por los astronautas del Apolo revelaron algo que nadie había esperado dado lo pequeña que es la Luna: nuestro satélite tenía un campo magnético hace miles de millones de años. Los científicos han estado tratando de averiguar qué podría haberlo generado dentro de la Luna.

Los experimentos con láser podrían ayudar a revelar si hay material sólido en el núcleo de la Luna que hubiera ayudado a alimentar el campo magnético ahora extinto. Pero para obtener más información, los científicos primero deben conocer la distancia entre las estaciones terrestres y los reflectores lunares con un mayor grado de precisión que los pocos milímetros actuales. “La precisión de esta única medida tiene el potencial de refinar nuestra comprensión de la gravedad y la evolución del Sistema Solar”, dijo Xiaoli Sun, un científico planetario de Goddard que ayudó a diseñar el reflector de LRO.

Enviar más fotones a la Luna, que regresen y tener mejor en cuenta los que se pierden debido al polvo, por ejemplo, son algunas formas de ayudar a mejorar la precisión. Pero es una tarea hercúlea.

Consideremos los paneles de superficie. Los científicos primero deben identificar la ubicación precisa de cada uno, que cambia constantemente con la órbita de la Luna. Entonces, los fotones láser deben viajar dos veces a través de la atmósfera espesa de la Tierra, que tiende a dispersarlos.

El astronauta Edwin E. Aldrin Jr., piloto del módulo lunar, despliega dos componentes del Paquete Temprano de Experimentos Científicos del Apolo en la superficie de la Luna durante la actividad extravehicular del Apolo 11 en 1969. Un experimento sísmico está en su mano izquierda y en su mano derecha, un panel reflectante de láser. El astronauta Neil A. Armstrong, comandante de la misión, tomó esta fotografía.
Créditos: Centro de vuelo espacial Johnson de la NASA.

Por lo tanto, lo que comienza como un rayo de luz de unos pocos metros de ancho en el suelo, puede extenderse a más de 2 kilómetros, cuando llega a la superficie de la Luna, y mucho más ancho cuando rebota. Eso se traduce en una probabilidad de uno en 25 millones de que un fotón lanzado desde la Tierra alcance el reflector del Apolo 11. Para los pocos fotones que logran llegar a la Luna, existe una probabilidad aún menor, una entre 250 millones, de que regresen, según algunas estimaciones.

Si esas probabilidades parecen desalentadoras, alcanzar el reflector de LRO es aún más desafiante. Por un lado, es una décima parte del tamaño de los paneles más pequeños de Apollo 11 y 14, con solo 12 espejos de cubo de esquina. También está conectado a un objetivo en rápido movimiento, del tamaño de un automóvil compacto que está 70 veces más lejos de nosotros que Miami de Seattle. El clima en la estación láser también afecta la señal de luz, al igual que la alineación del Sol, la Luna y la Tierra.

Es por eso que, a pesar de varios intentos durante la última década, los científicos de Goddard de la NASA no habían podido alcanzar el reflector de LRO hasta su colaboración con investigadores franceses.

Su éxito hasta ahora se basa en el uso de tecnología avanzada desarrollada por el equipo de Géoazur en la Université Côte d’Azur para una estación láser en Grasse, Francia, que puede emitir una luz infrarroja de longitud de onda a LRO. Uno de los beneficios de usar luz infrarroja es que penetra en la atmósfera de la Tierra mejor que la longitud de onda de luz verde visible que los científicos han usado tradicionalmente.

Pero incluso con luz infrarroja, el telescopio Grasse recibió solo unos 200 fotones de decenas de miles de pulsos emitidos en LRO durante unas pocas fechas en 2018 y 2019, informan Mazarico y su equipo en su artículo.

Puede que no parezca mucho, pero incluso unos pocos fotones a lo largo del tiempo podrían ayudar a responder la pregunta sobre el polvo del reflector de superficie. Un retorno exitoso del rayo láser también muestra la promesa de usar láser infrarrojo para el monitoreo preciso de las órbitas de la Tierra y la Luna, y de usar muchos reflectores pequeños, quizás instalados en los módulos de aterrizaje lunares comerciales de la NASA, para conseguirlo. Es por eso que a algunos científicos les gustaría ver reflectores nuevos y mejorados enviados a más regiones de la Luna, lo cual la NASA planea hacer. Otros piden que haya más instalaciones en todo el mundo equipadas con láseres infrarrojos que puedan enviar impulsos a la Luna desde diferentes ángulos, lo que puede mejorar aún más la precisión de las mediciones de distancia. Los nuevos enfoques de alcance láser como estos pueden garantizar que el legado de estos estudios fundamentales continúe, dicen los científicos.