รู้จัก LLRE เจาะลึกวิทยาศาสตร์ของกระจกบนดวงจันทร์ ไม่ใช่แค่วัดระยะทาง

ในภารกิจการนำมนุษย์ไปลงจอดบนดวงจันทร์ภารกิจแรกของมนุษยชาติอย่าง Apollo 11 มีการนำ “กระจก” สะท้อนแสงที่เรียกว่า Retroreflector ไปวางไว้บนพื้นผิวของดวงจันทร์ด้วยเพื่อใช้ในการวัดระยะทางการเดินทางของแสงจากโลกไปดวงจันทร์และกลับมา และไม่ได้มีแค่ Apollo 11 ที่เอากระจกที่ว่าไปวางแต่ยังมี Apollo 14 และ 15 ที่เอากระจกแบบเดียวกันไปวางด้วย การวัดระยะทางด้วยแสงเลเซอร์เริ่มต้นด้วยการทดลองวัดแสงเลเซอร์ที่ยิงไปบนดวงจันทร์และสะท้อนจากพื้นผิวของดวงจันทร์กลับมายังโลกทดลองโดย Massachusetts Institute of Technology (MIT) ในปี 1962 ก่อน Apollo 11 ประมาณ 7 ปี

Lunar Laser Ranging Experiment

Lunar Laser Ranging Experiment คือ การทดลองที่นำ Retroreflector ไปวางไว้บนผิวดวงจันทร์จากนั้นก็ยิงแสงเลเซอร์จากโลกไปลงบนกระจกที่วางไว้บนดวงจันทร์เพื่อให้มันสะท้อนกลับมายังโลก จากนั้นก็วัดระยะเวลาที่แสงเดินทางจากโลกไปดวงจันทร์แล้วกลับมายังโลก

Retroreflector มี Concept ง่าย ๆ คือทำยังไงก็ได้ให้แสงที่ยิงมามันสะท้อนกลับไปทางเดิมให้ได้มากที่สุด มาทางไหนกลับทางนั้น Retroreflector ต่างจากกระจกสะท้อนแสงทั่วไปบนโลกตรงที่ Retroreflector จะสะท้อนแสงด้วยอัตราการกระเจิงของแสงที่น้อยกว่ากระจกทั่วไป และยังมีมุมสะท้อนกลับโลก “Angle of incidence” ที่กว้างกว่าและแน่นอนในการสะท้อนแสงกลับ ไม่เหมือนกระจกสะท้อนแสงทั่วไปที่ตกกระทบที่มุมเท่าไหร่ก็สะท้อนกลับไปเท่านั้น ซึ่งที่เราต้องใช้ Retroreflector แทนกระจกธรรมดาบนดวงจันทร์เป็นเพราะว่าเมื่อเรายิงลำแสงมาจากโลก มันจะมีโอกาสที่แสงอาจจะไม่ได้ยิงลำแสงลงมาที่กระจกแบบตั้งฉาก 90 องศาพอดีแต่อาจจะเอียงไปไม่ด้านใดก็ด้านหนึ่งซึ่งถ้าเป็นกระจกทั่วไป หากลำแสงตกกระทบมุมเท่าไหร่ก็จะสะท้อนกลับไปเท่านั้น ถ้าเป็นแบบนั้นแสงที่สะท้อนก็จะสะท้อนไปที่อื่นที่ไม่ใช่สถานีรับแสงหรือเป็นไปได้ว่าอาจจะสะท้อนออกอวกาศไปเลยก็ได้ การใช้ Retroreflector จึงเป็นการเผื่อ ว่าหากมุมตกกระทบแสงคลาดเคลื่อนไปด้วยปัจจัยอย่างอื่นอย่างเช่นตำแหน่งของดวงจันทร์คาบการโคจรของดวงจันทร์และโลก แสงก็ยังคงสะท้อนกลับมาที่มุมเท่าเดิมได้เพื่อสะท้อนกลับไปยังสถานีที่ยิงแสงมา

นอกจากนี้กระจกอันล่าสุดที่ Apollo 15 เอาไปวางยังมีขนาดใหญ่กว่าเดิมอีกด้วย และ Retroreflector จริง ๆ แล้วก็เป็นสิ่งของที่เราน่าจะเห็นในชีวิตประจำวันตลอดโดยเฉพาะบนถนน Retroreflector ถูกนำไปใช้ในป้ายตามทางต่าง ๆ และบนถนน รวมถึงบนยานพาหนะต่าง ๆ อีกด้วย เช่น แผ่นสะท้อนแสงที่ติดบนจักรยานก็เป็น Retroreflector เช่นกัน

หลักการคำนวณง่าย ๆ ก็คือ ระยะทาง = (ความเร็วแสง x ระยะเวลาสะท้อนแสง) / 2 ซึ่งเป็นการหาระยะทางจากโลกไปดวงจันทร์ ซึ่งผลการคำนวณจะต้องไปคำนวณร่วมกับปัจจัยอื่น ๆ อีกอย่างเช่นตำแหน่งของโลกและดวงจันทร์ การเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของดวงจันทร์และโลก การแกว่งของดวงจันทร์ (Lunar Libration) การหมุนรอบตัวเองของโลกหรือแม้แต่สภาพอากาศบนโลกก็มีผลทำให้ระยะทางจากโลกไปดวงจันทร์ที่คำนวณได้เปลี่ยนไปทุกครั้งที่ทำการวัด โดยค่าเฉลี่ยจะอยู่ที่ประมาณ 385,000 กิโลเมตร

การทำ Lunar Laser Ranging Experiment อาศัยการยิงลำแสงเลเซอร์จากสถานีบนโลกไปที่กระจก Retroreflector บนผิวดวงจันทร์ซึ่งแสงที่สะท้อนกลับมาจะอ่อนมากจนไม่สามารถเห็นด้วยตาเปล่าได้ ซึ่งแสงที่ยิ่งออกไป 10 กำลัง 7 โฟตอน หรือประมาณ 10 ล้านโฟตอน จะมีเพียงโฟตอนอันเดียวเท่านั้นที่สะท้อนกลับมาถึงตัวรับโฟตอนบนโลก นอกนั้นถูกสภาพแวดล้อมต่าง ๆ ทั้งบนโลก บนดวงจันทร์และในอวกาศถูกดูดซึมไปหรือไม่ก็กระเจิงออกไประหว่างการเดินทางนั่นเอง โดยเลเซอร์ที่ยิงออกไปซึ่งอาจมีขนาดเพียงแค่ไม่กี่เมตรเมื่อไปถึงดวงจันทร์ มันอาจจะกระเจิงออกไปแล้วกว่า 2 กิโลเมตรนั่นหมายความว่าโฟตอนที่ยิงไป จะมีเพียงไม่กี่อันที่ตกกระทบกระจกสะท้อนแสงและขากลับมันก็มีสิทธิ์ที่มันจะกระเจิงออกไปทางอื่นอีกเหมือนกันทำให้มีโอกาสเพียงแค่ 1 ใน 250 ล้านเท่านั้นที่โฟตอนที่ยิงไปจะถูกสะท้อนกลับมาที่ที่มันมาเป๊ะ ๆ

เบื้องต้นการทดลอง Lunar Ranging Experiment ทำให้เราได้ข้อมูลที่มีประโยชน์ต่อการศึกษาต่อเป็นอย่างมาก โดยอย่างแรกคือเราทราบระยะทางที่แน่นอนจากดวงจันทร์ไปโลก แต่การทดลอง Lunar Ranging Experiment มันไม่ได้จบที่แค่การวัดระยะทางนะสิ เพราะว่านักวิทยาศาสตร์ก็ยังคงติดตามข้อมูลของการวัดระยะทางอยู่เรื่อย ๆ และยังค้นพบอะไรใหม่ ๆ อย่างต่อเนื่อง

กระจกวัดระยะทางที่ไม่ได้ใช้หาแค่ระยะทาง

หลายปีมาแล้วที่เราทำการทดลอง Lunar Ranging Experiment ด้วยการเอากระจก Retroreflector ไปวางบนดวงจันทร์ซึ่งกระจกแต่ละอันไม่ถูกโมเลกุลดินบนดวงจันทร์ที่โดนพัดจากลมสุริยะกลบหรือจาก Micrometeorite ชนก็ค่อย ๆ เสื่อมสภาพตามกาลเวลาจึงทำให้นักวิทยาศาสตร์ของ NASA เอา Retroreflector ไปติดบน Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) แทน แต่ก็ยังคงใช้ Reflector อายุกว่า 50 ปีบนดวงจันทร์ต่อไปด้วย เรียกได้ว่าอันเดียวใช้คุ้มโคตร ๆ

หนึ่งในการค้นพบที่ใหญ่พอสมควรก็คือการที่ดวงจันทร์กำลังถอยห่างออกจากโลกประมาณ 3.8 เซนติเมตรต่อปี และอีกการวิเคราะห์ข้อมูลที่นักวิทยาศาสตร์กำลังทดลองกันอยู่ก็คือ ถ้าเกิดว่ากระจกสะท้อนแสงที่ว่ามันสะท้อนแสงลดน้อยลงเรื่อย ๆ หมายความว่าจะต้องมีอะไรมาบังมันทำให้มันสะท้อนแสงได้ไม่ดีเท่าที่ควร และทดลองสมมติฐานนี่ด้วยการลองใช้ Reflector บนยาน LRO แทนเพื่อหาความคลาดเคลื่อนของกระจกบนยาน LRO เปรียบเทียบกับความคลาดเคลื่อนของกระจกบนผิวดวงจันทร์ ข้อมูลที่ได้จะสามารถนำมาสร้างโมเดลจำลองทางคอมพิวเตอร์ได้ว่าอะไรที่จะทำให้เกิดการคลาดเคลื่อนและการเสื่อมสภาพของกระจกได้นั่นเอง

นอกจากนี้ หลังจากเก็บข้อมูลมาอย่างยาวนาน นักวิทยาศาสตร์ตั้งสมมติฐานว่าดวงจันทร์มีแกนกลางเป็นของเหลวกว่า 20% โดยมีขอบเขตอยู่ที่ประมาณ 381 บวกลบ 12 กิโลเมตร ซึ่งสำรวจมาจากการแกว่งของคาบการโคจรของดวงจันทร์ด้วยการวัดระยะทางด้วยเลเซอร์ ซึ่งเป็นการวัดว่าวงโคจรของดวงจันทร์แกว่งออกห่างจากโลกและเข้ามาใกล้โลกเท่าไหร่ด้วยการทำ Laser Ranging ที่มีความแม่นยำระดับมิลลิเมตร และนำข้อมูลมาเปรียบเทียบกับการจำลองทางธรณีวิทยาต่าง ๆ ของดวงจันทร์ และยังมีการค้นพบอีกมากมายจาก Lunar Laser Ranging Experiment ที่ดูเหมือนไม่เกี่ยวกับการวัดระยะทางเลยแม้แต่น้อย

• จากข้อมูล Lunar Laser Ranging พบว่า แรงโน้มถ่วงบนดวงจันทร์เสถียรมาก มีความเปลี่ยนแปลงของค่า G เพียงแค่ (2±7)×10⁻¹³ ต่อปีเท่านั้น
• การยืนยันทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ด้วยการคาดการณ์ตำแหน่งของดวงจันทร์ในวงโคจรในความแม่นยำระดับมิลลิเมตรด้วยการทำ Lunar Laser Ranging
• การหักล้างทฤษฎี Nordtvedt Effect ที่กล่าวไว้ว่าดวงจันทร์และโลกมีความเร่งเข้าหาดวงอาทิตย์ไม่เท่ากัน (ซึ่ง Nordtvedt effect ขัดแย้งกับทฤษฎีความเท่ากันของไอนสไตน์ (Equivalence Principle)

และยังมีการค้นพบอื่น ๆ อีกมากมายที่ไม่ได้กล่าวมา ซึ่งล้วนมาจากการทดลองการวัดระยะทางด้วยเลเซอร์ทั้งสิ้น จึงทำให้ Lunar Laser Ranging Experiment และ Retroreflector ที่อยู่บนดวงจันทร์เรียกได้ว่าเป็นอุปกรณ์ที่ใช้คุ้มมากเลยทีเดียวนั่นเอง

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

Laser Beams Reflected Between Earth and Moon Boost Science