Die seltsamen Signale der lunaren Laserreflektoren

Jörg von „Diax’s Rake“ erinnert uns ja immer wieder daran, dass der Laser dieses Jahr seinen 50. Geburtstag feiert. Passend dazu hab ich hier eine aktuelle Arbeit gefunden, die sich auch mit Lasern beschäftigt – und zwar mit dem Lunar Laser Ranging.

Darüber habe ich früher schon mal ausführlich geschrieben. Es geht darum, dass man durch die Reflektion von Laserstrahlen den Abstand zwischen Erde und Mond möglichst genau bestimmen will. Dazu wurden während der Apollo-Missionen sogenannte Laserreflektoren auf der Mondoberfläche platziert. Die liefern aber manchmal seltsame Ergebnisse – die man nun aber erklären kann!

Im Prinzip ist die Sache ganz einfach: von der Erde aus wird ein Laserstrahl in Richtung Mond losgeschickt. Der wird dort reflektiert und auf der Erde wieder empfangen. Man braucht nun nur noch messen wie lange das alles gedauert hat und schon weiß man, wie weit Erde und Mond voneinander entfernt sind – auf den Zentimeter genau!

Ganz so simpel ist es aber dann doch nicht. Von den Unmengen an Photonen die mit dem ausgehenden Laserstrahl in Richtung Mond geschickt werden schafft es im Durchschnitt gerade mal eines wieder zurück zum Teleskop, von dem es ausgesandt wurde.

Gründe für den Verlust von Photonen gibt es viele. Der Laserstrahl weitet sich ja auf und bei weitem nicht alle treffen auf den Reflektor am Mond – das selbe gilt für den Rückweg. Das Wetter spielt auch eine wichtige Rolle und man kann nur bei allerbesten Bedingungen auf ein Signal hoffen, das stark genug ist. Und dann ist da noch der Reflektor selbst. Diese Retroreflektoren stehen ja auch schon seit einiger Zeit auf dem Mond und sie halten nicht ewig.

Tom Murphy von der Universität San Diego und seine Kollegen haben nun untersucht, wie sich die Qualität der Reflektoren im Laufe der Zeit verändert hat. Und sie haben probiert herauszufinden, warum das Signal immer genau dann schlechter wird, wenn wir Vollmond haben!

Denn das passiert seltsamerweise! Immer bei Vollmond ist die Effizienz der Apollo-Laser-Retroreflektoren zehnmal schwächer als sonst. Das zeigt auch das obige Bild. Hier ist die Effizienz des Reflektors in Abhängigkeit von der Mondphase aufgetragen. Und die sinkt bei 180° (Vollmond) deutlich. Diverse Tests haben ausgeschlossen, dass der Grund dafür bei den Teleskopen am Boden zu suchen ist (weil z.B. der helle Vollmond die Detektoren zu stark beansprucht). Die Ursache muss eine andere sein.

Man hat das ganze auch bei totalen Mondfinsternissen untersucht. Die tritt ja nur bei Vollmond auf und deswegen hat man da auch wie üblich ein schlechtes Signal. Wenige Minuten nachdem der Mond komplett finster geworden ist, ist die Effizienz der Reflektoren aber wieder auf normalen Niveau – bis kurz vor Ende der Finsternis. Das deutet ganz stark darauf hin, dass hier die Wärme eine Rolle spielt. Wenn die Sonne (vom Mond aus gesehen) hoch am Himmel steht und wir auf der Erde einen Vollmond sehen, dann scheint sie direkt in die Prismen der Reflektoren hinein und kann sie erwärmen. Dadurch könnte es Verzerrungen geben und die Effizienz würde sinken.

Aber damit hat man noch nicht das komplette Rätsel gelöst. Im folgenden Bild sieht man einen Vergleich der Effizienz in den Jahren 1973-1976 und 1979-1984:

Im ersten Intervall gab es keinen klaren Einfluß der Mondphase, danach schon! Hier scheint der Mondstaub eine wichtige Rolle zu spielen. Durch den Einschlag von Mikrometeoriten hat sich anscheinend im Laufe der Zeit ein bisschen Staub auf den Geräten abgelagert – und der absorbiert nun das Sonnenlicht und erhitzt die Optik.

Schon spannend, was man aus den alten Geräten der Apollo-Mission heute noch für Erkenntnisse gewinnt. Und diese Untersuchungen sind durchaus wichtig – wenn wir uns doch irgendwann mal entschließen, wieder zum Mond zu fliegen oder auch nur neue Geräte (Teleskope o.ä.) dort zu platzieren, dann müssen wir über all diese Effekte Bescheid wissen!