近日，中科院云南天文台利用阿波罗15号任务中置于月面的哈德利峡谷处的反射镜阵列完成了我国首次月球激光测距实验，填补了我国在月球激光测距领域的空白。实测数据段显示2018年1月22日晚21:25-22:31，地月间距离为385823.433km-387119.600km，实测距离的偏差在1m之内。
那么，何为月球激光测距？它的原理是什么？为什么月球激光测距是只有少数国家掌握的技术呢？
故事要从1969年7月21日休斯顿时间下午4时说起......
将激光测距反射镜阵列带上月球
此时，“阿波罗11号”登月任务宇航员阿姆斯特朗刚刚将“自己一小步，人类一大步”永久的印在了月球静海表面，随后宇航员奥尔德林也迈出了历史性的一步，紧随阿姆斯特朗开始了月球漫步。整个舱外活动共持续了2小时31分之久，整个过程对地球上近6亿人进行了直播。
这期间，两位登月宇航员完成了月球表面岩石标本采集、月表撞击坑边缘地质考察、纪念标志物放置任务。除此之外，他们还精心放置了阿波罗计划初期的月球科学实验仪器组——被动式月震仪和一台激光测距反射镜阵列。三天后，即1969年7月24日，阿波罗11号返回舱出现在了北太平洋中部约翰斯顿环礁以南380千米处，顺利地完成了这次人类首次登月壮举。
宇航员奥尔德林在月表放置反射镜阵列（NASA JPL）
那台被永远留在了月球表面的激光测距反射镜阵列，仅在一周后就开始了工作。1969年8月1日，美国Lick 天文台用3m 望远镜成功地观测到来自Apollo 11 反射器的激光测距回波信号；8月22日，美国McDonald 天文台的2.7m望远镜亦收到回波信号；随后对Apollo11反射器进行成功测距试验的还有美国空军在亚利桑那州的剑桥研究实验室、法国的Pic du Mdi天文台和日本的东京天文台，开创了人类对地球与月球间距离进行精确测量的历史。
阿波罗15号搭载的反射镜阵列（NASA JPL）
从古希腊学者阿里斯塔克思利用几何原理测算地球和月球之间的距离开始，人类的智慧将地月间的测量误差从百千米缩小到了厘米级别。目前月球表面共放置了5台反射镜阵列，其中尚能展开测距工作的镜阵列分别位于阿波罗11号、阿波罗14号、和阿波罗15号着陆区，以及苏联月球车2号驻留点。目前地球上能够参与或开展月激光测距工作的观测台站分别位于美国、法国、意大利和南非，当然现在要加上中国了。
月球激光测距，怎么做到的？
月球激光测距，其原理简而言之就是将具有高度同向性脉冲激光束射向人工放置在月表的反射镜阵列，利用角反射镜能将反射光信号沿原发射方向返回地面测站的光路性质，通过发送接收时间差计算出地月距离。
原理看似简单，但这项技术只有少数国家才能掌握。置于月球表面面积最大的反射镜阵列来自阿波罗15号，面积约0.3平方米，阵列中密密麻麻排布着近140个多角反射镜，对于距此38万千米之外的地球上的观测台站来说，这个反射面积如针孔般渺小。
月球激光测距原理图（画者布丁提供）
透过地球大气层的包围，一群群光子前赴后继的从地球奔向月球，途中有天体引力场的干扰，有宇宙时空中引力波的影响，有自身能量的波动和损耗。千辛万苦到达月面反射镜后，数以亿计的光子兄弟此时已损耗大半。回程时除了遇到之前的同样的困苦，要想准确钻回出发时家里的“被窝”，还需克服大气扰流袭扰，原子钟一丝不苟的计时为光子回家打开了大门，而这一切都发生在短短的2.5秒之中。而完成10次这样地月之旅后，能安然无恙回家的光子最多只有1个。
而云南天文台的此次测距，是对多项关键技术进行攻关之后才实现的，比如自主研发了用于共光路月球激光测距系统来收发转换的转镜，改进了理论模型，提高了望远镜的指向精度，改善了探测效率和光学传输效率。
月球激光测距观测截图
掌握月球激光测距技术有什么意义？
自人类首次开展月球激光测距实验以来，经过48年的实验积累，人类才攒了不足2万个光子数据。利用这些得来不易的数据，人类精确测算了月球轨道参数，测定了月球形状，给出了爱因斯坦相对论参数，为未来地月空间探索乃至飞向更遥远的深空，提供了坚实的数据基础。而我们未来要想攻克诸如探测空间引力波这样的物理难题，不断提高的地月距离测量精度是必须的。
放大版的地球—火星激光测距，甚至是星际间测距实验也已展开。月球激光测距，早已开始，却仍是未完待续的故事......
文/鲁暘筱懿
行星物理博士，国家遥感中心副研究员
审稿/苟利军，国家天文台研究员
