Des dizaines de fois au cours de la dernière décennie, les scientifiques de la NASA ont lancé des faisceaux laser sur un réflecteur de la taille d'un roman de poche d'environ 240, 000 milles (385, 000 kilomètres) de la Terre. Ils ont annoncé aujourd'hui, en collaboration avec leurs collègues français, qu'ils ont reçu le signal en retour pour la première fois, un résultat encourageant qui pourrait améliorer les expériences laser utilisées pour étudier la physique de l'univers.

Le réflecteur visé par les scientifiques de la NASA est monté sur le Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), un vaisseau spatial qui étudie la lune depuis son orbite depuis 2009. L'une des raisons pour lesquelles les ingénieurs ont placé le réflecteur sur LRO était qu'il pouvait servir de cible vierge pour aider à tester le pouvoir réfléchissant des panneaux laissés sur la surface de la lune il y a environ 50 ans. Ces anciens réflecteurs renvoient un signal faible, ce qui rend plus difficile leur utilisation pour la science.

Les scientifiques utilisent des réflecteurs sur la lune depuis l'ère Apollo pour en savoir plus sur notre voisin le plus proche. C'est une expérience assez simple :dirigez un faisceau de lumière vers le réflecteur et chronométrez le temps qu'il faut pour que la lumière revienne. Des décennies de réalisation de cette seule mesure ont conduit à des découvertes majeures.

L'une des plus grandes révélations est que la Terre et la Lune s'éloignent lentement à la vitesse à laquelle poussent les ongles, ou 1,5 pouces (3,8 centimètres) par an. Cet écart grandissant est le résultat d'interactions gravitationnelles entre les deux corps.

« Maintenant que nous collectons des données depuis 50 ans, nous pouvons voir des tendances que nous n'aurions pas pu voir autrement, " a déclaré Erwan Mazarico, un scientifique planétaire du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland qui a coordonné l'expérience LRO qui a été décrite le 7 août dans la revue Earth, Planètes et espace.

"La science de la télémétrie laser est un long jeu, ", a déclaré Mazarico.

Mais si les scientifiques doivent continuer à utiliser les panneaux de surface dans le futur, ils doivent comprendre pourquoi certains d'entre eux ne renvoient qu'un dixième du signal attendu.

Il y a cinq panneaux réfléchissants sur la lune. Deux ont été livrés par les équipages d'Apollo 11 et 14 en 1969 et 1971, respectivement. Ils sont chacun constitués de 100 miroirs que les scientifiques appellent des « cubes d'angle, " car ce sont les coins d'un cube de verre; l'avantage de ces miroirs est qu'ils peuvent refléter la lumière dans n'importe quelle direction d'où elle vient. Un autre panneau avec 300 cubes de coin a été déposé par les astronautes d'Apollo 15 en 1973. Des rovers robotiques soviétiques appelés Lunokhod 1 et 2, qui a atterri en 1970 et 1973, porter deux réflecteurs supplémentaires, avec 14 miroirs chacun. Collectivement, ces réflecteurs constituent la dernière expérience scientifique fonctionnelle de l'ère Apollo.

Certains experts soupçonnent que la poussière s'est peut-être déposée sur ces réflecteurs au fil du temps, peut-être après avoir été projeté par des impacts de micrométéorites à la surface de la lune. Par conséquent, la poussière pourrait empêcher la lumière d'atteindre les miroirs et également isoler les miroirs et les faire surchauffer et devenir moins efficaces. Les scientifiques espéraient utiliser le réflecteur de LRO pour déterminer si c'est vrai. Ils ont pensé que s'ils trouvaient une différence dans la lumière renvoyée par le réflecteur de LRO par rapport à ceux de surface, ils pourraient utiliser des modèles informatiques pour tester si la poussière, ou autre chose, est responsable. Quelle que soit la cause, les scientifiques pourraient alors en tenir compte dans leur analyse des données.

Malgré leurs premières expériences réussies de télémétrie laser, Mazarico et son équipe n'ont pas encore réglé la question de la poussière. Les chercheurs affinent leur technique afin de pouvoir collecter davantage de mesures.

L'art d'envoyer un faisceau de photons vers la lune… et de le récupérer

En attendant, les scientifiques continuent de s'appuyer sur les réflecteurs de surface pour apprendre de nouvelles choses, malgré le signal plus faible.

En mesurant le temps qu'il faut à la lumière laser pour rebondir (environ 2,5 secondes en moyenne), les chercheurs peuvent calculer la distance entre les stations laser terrestres et les réflecteurs lunaires jusqu'à moins d'un pouce, ou quelques millimètres. C'est à peu près l'épaisseur d'une peau d'orange.

Outre la dérive Terre-Lune, de telles mesures sur une longue période de temps et sur plusieurs réflecteurs ont révélé que la lune a un noyau fluide. Les scientifiques peuvent le dire en surveillant les moindres oscillations pendant la rotation de la lune. Mais ils veulent savoir s'il y a un noyau solide à l'intérieur de ce fluide, dit Vishnu Viswanathan, un scientifique Goddard de la NASA qui étudie la structure interne de la lune.

"Connaître l'intérieur de la lune a des implications plus importantes qui impliquent l'évolution de la lune et expliquer le moment de son champ magnétique et comment il s'est éteint, " a déclaré Viswanathan.

Les mesures magnétiques des échantillons de lune renvoyés par les astronautes d'Apollo ont révélé quelque chose à quoi personne ne s'attendait étant donné la petite taille de la lune :notre satellite avait un champ magnétique il y a des milliards d'années. Les scientifiques ont essayé de comprendre ce qui à l'intérieur de la lune pourrait l'avoir généré.

Des expériences au laser pourraient aider à révéler s'il y a un matériau solide dans le noyau de la lune qui aurait aidé à alimenter le champ magnétique désormais éteint. Mais pour en savoir plus, les scientifiques doivent d'abord connaître la distance entre les stations terriennes et les réflecteurs lunaires avec un degré de précision plus élevé que les quelques millimètres actuels. "La précision de cette mesure a le potentiel d'affiner notre compréhension de la gravité et de l'évolution du système solaire, " dit Xiaoli Sun, un scientifique planétaire Goddard qui a aidé à concevoir le réflecteur de LRO.

Obtenir plus de photons sur la Lune et en revenir et mieux prendre en compte ceux qui sont perdus à cause de la poussière, par exemple, sont quelques façons d'aider à améliorer la précision. Mais c'est une tâche herculéenne.

Considérez les panneaux de surface. Les scientifiques doivent d'abord localiser l'emplacement précis de chacun, qui change constamment avec l'orbite de la lune. Puis, les photons laser doivent voyager deux fois à travers l'atmosphère épaisse de la Terre, qui a tendance à les disperser.

Ainsi, ce qui commence comme un faisceau lumineux d'environ 10 pieds, ou quelques mètres, large sur le sol peut s'étendre à plus d'un mile, ou deux kilomètres, au moment où il atteint la surface de la lune, et beaucoup plus large quand il rebondit. Cela se traduit par une chance sur 25 millions qu'un photon lancé depuis la Terre atteigne le réflecteur d'Apollo 11. Pour les quelques photons qui parviennent à atteindre la lune, il y a encore moins de chance, un sur 250 millions, qu'ils reviendront, selon certaines estimations.

Si ces chances semblent intimidantes, atteindre le réflecteur de LRO est encore plus difficile. Pour un, c'est un dixième de la taille des plus petits panneaux Apollo 11 et 14, avec seulement 12 miroirs cubiques d'angle. Il est également attaché à une cible rapide de la taille d'une voiture compacte qui est 70 fois plus éloignée de nous que Miami ne l'est de Seattle. La météo à la station laser impacte le signal lumineux, trop, tout comme l'alignement du Soleil, la lune et la Terre.

C'est pourquoi, malgré plusieurs tentatives au cours de la dernière décennie, les scientifiques de la NASA Goddard n'avaient pas pu atteindre le réflecteur de LRO jusqu'à leur collaboration avec des chercheurs français.

Leur succès jusqu'à présent repose sur l'utilisation d'une technologie de pointe développée par l'équipe Géoazur de l'Université Côte d'Azur pour une station laser à Grasse, La France, qui peut pulser une longueur d'onde infrarouge de lumière à LRO. L'un des avantages de l'utilisation de la lumière infrarouge est qu'elle pénètre mieux dans l'atmosphère terrestre que la longueur d'onde verte visible de la lumière que les scientifiques ont traditionnellement utilisée.

Mais même avec la lumière infrarouge, le télescope de Grasse n'a reçu qu'environ 200 photons en retour sur des dizaines de milliers d'impulsions émises au LRO à quelques dates en 2018 et 2019, Mazarico et son équipe rapportent dans leur article.

Cela peut sembler peu, mais même quelques photons au fil du temps pourraient aider à répondre à la question de la poussière du réflecteur de surface. Un retour réussi du faisceau laser montre également la promesse d'utiliser un laser infrarouge pour une surveillance précise des orbites de la Terre et de la Lune, et d'utiliser de nombreux petits réflecteurs - peut-être installés sur les atterrisseurs lunaires commerciaux de la NASA - pour ce faire. C'est pourquoi certains scientifiques aimeraient voir des réflecteurs nouveaux et améliorés envoyés dans plus de régions de la lune, ce que la NASA envisage de faire. D'autres demandent que davantage d'installations dans le monde soient équipées de lasers infrarouges capables d'émettre des impulsions vers la lune sous différents angles, ce qui peut encore améliorer la précision des mesures de distance. De nouvelles approches de télémétrie laser telles que celles-ci peuvent garantir que l'héritage de ces études fondamentales se poursuivra, disent les scientifiques.