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Lastronomie : une science multi-disciplinaire - lexemple de la mesure de distance Terre-Lune lexemple de la mesure de distance Terre-Lune.

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1 Lastronomie : une science multi-disciplinaire - lexemple de la mesure de distance Terre-Lune lexemple de la mesure de distance Terre-Lune

2 Les différentes phases de la Lune

3 Dimensions comparées : Terre, Lune, Soleil

4 Distance Terre-Lune : un peu d'histoire avant J.C. Aristarque de Samos détermine le diamètre km de la Lune par la durée des éclipses de Lune et en déduit la distance Terre-Lune. 150 avant J.C. Hipparque perfectionne les méthodes dAristarque km et trouve la distance Terre-Lune à quelques % près… 150 après J.C. Ptolémée affine les résultats de ses prédécesseurs km 1751 Première amélioration importante depuis lantiquité km par Lalande et La Caille observant simultanément la Lune à Berlin et au Cap Premiers échos radar sur la Lune km1969

5 Petite histoire du Laser-Lune Apollo 11 : juillet 69 Puis Apollo 14, 15, Lunakhod 1, 2 –Echos aux USA ~ 2 m –Essais au Pic du Midi (~1970) –Laser-lune au CERGA décidé en 1975 Premiers échos en 81 Station opérationnelle en 1984 ~ 15 cm Opération laser-lune de niveau centimétrique ~ 3 cm Opération laser-lune de niveau millimétrique depuis 1992 ~ 7 mm

6 Coordonnées dun objet céleste

7 Eléments orbitaux

8 Eléments orbitaux : suite

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14 Le principe consiste à envoyer à partir d'une station terrestre une impulsion lumineuse très brève en direction d'un panneau de réflecteurs. Les réflecteurs en forme de coins de cube ont la caractéristique de renvoyer le faisceau incident dans la même direction, par conséquent vers la station émettrice où il sera détecté. La différence de temps entre l'instant d'émission et l'instant de réception de la lumière donne la mesure brute du temps de vol à quelques picosecondes près. Principe de la Télémétrie laser

15 Les trois stations laser (ultra-mobile, satellite et lune), (FTLRS-SLR-LLR), tirant simultanément sur un satellite artificiel (LAGEOS)

16 Station Laser-Lune Lageos à 6000km Glonass à 19000km Etalons à 19000km GPS à 20000km Principales cibles de la station Laser Lune LUNA 17 et 21 à km

17 Principes généraux et historique Réalisation et défis technologiques Objectifs scientifiques Production et performances Science avec la télémétrie sur la Lune La Télémétrie Laser-Lune

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19 Réflecteurs sur la Lune Positions des réflecteurs A15 A14 A11 L1 L2 Apollo 11

20 Mesurer la distance à la Lune, avec quels moyens ? Le télescope

21 MOYENS principaux de la station Laser Lune Télescope de 1.54 m de diamètre, de 31 m de distance focale, de 30 minute darc de champ, avec une précision de pointé inférieure à la seconde darc (3600" = 1 degré). 2 Lasers YAG 10 Hz, avec cristaux doubleur de fréquence (1.064 μm 532 nm) - pour la Lune 250 mJ en 300 picosecondes ( s). - pour les satellites lointains 25 mJ en 20 ps avec une impulsion, et bientôt 350mJ avec un amplificateur régénérateur de 14 impulsions pouvant améliorer la précision sur la Lune. Système de datation Dassault (2 dateurs) avec une précision de 5 ps décart type sur une date.

22 cameras Laser Coin de cube Voie infrarouge Dateurs d'événements départ retour Fibre optique Photodiode à avalanche Filtre optique détecteur Foyer Nasmyth Miroirs tournants Fibre optique T = 25°C Densités de calibrage Voie verte axe vertical axe horizontal Filtre spatial IR+Vert Schéma densemble de la station

23 Les difficultés principales Le bilan de liaison : Actuellement nous émettons photons à chaque tir, environ 10 fois par seconde ; il en tombe 10 8 sur le réflecteur Apollo XV (tache denviron 10 km de diamètre sur la Lune) ; le diamètre de la tache de retour sur la Terre fait environ 6 km, dû à la diffraction de chacun des coins de cube et lon récupère, lors des belles nuits, dans le télescope de 1.54 m de diamètre 1 événement tous les 100 tirs. La précision de la poursuite : Il est nécessaire de pointer sur le réflecteur avec une précision meilleure que 0.5 seconde darc. Le détecteur de retour : il doit avoir une grande sensibilité (simple photoélectron) et une grande fiabilité du temps de transit pour obtenir une bonne précision des mesures. Les dateurs : nous en possédons deux, le premier pour les dates de départ, le second pour les dates de retour. La précision sur un intervalle de temps est de 7 ps. Une picoseconde est égale à s et correspond à 0.15 mm de lumière en aller-retour. La fiabilité du laser : fiabilité dans le temps pour sa largeur dimpulsion (300 ps à mi- hauteur) et pour son énergie (250 mJ).

24 Objectifs scientifiques Pour la Lune Sélénophysique Mécanique céleste Systèmes de référence terrestre et céleste Rotation de la Terre Précession, Nutation Tests des théories de la gravitation Pour les satellites lointains Positionnement Colocalisation Orbitographie, Géodynamique

25 Coordonnées des réflecteurs ( ~ 1m) Libration physique de la Lune (3 modes propres doscillations) Moments lunaires (C/mr 2 = ± ), au lieu de 0.4 pour une boule homogène donc présence d'un petit noyau plus dense que l'extérieur G(M+ m) ( ~ km 3 /s 2 ) G M ( ± km 3 /s 2 ) en accord avec Lageos Masse de la Lune (m/M = 1/ ± ) Nombre de Love lunaire (k 2 = ± ) caractéristique de la déformabilité de la lune Q lunaire (37 à 1 mois et 60 à 1 an) coefficient de dissipation d énergie Détection d'un noyau fluide <400km Sélénophysique

26 Position et vitesse de la Lune ( ~ 1 cm) Accélération séculaire : dn/dt = ± "/siècles 2 Eloignement de la Lune : 3.8 cm/an Constante de précession : = ± 0.03 mas/an Suivi rapide de la rotation de la Terre Mouvements et Systèmes de référence (Chapront et al, 2000)

27 MICROSCOPE (2008) ? Principe déquivalence faible Violation du PE La masse rouge tombe plus vite que la masse verte Equivalence entre Masse grave et masse inerte Universalité de la chute libre.

28 M G /M I = 1 + SEP + WEP EP : Perspective à court terme Ajustement sur les données : qq En 2010 avec le même taux d'observations : Principe d Equivalence WEP (effet faible) : montre un effet sensible à la composition des corps sur la chute libre. SEP (effet fort) : montre un effet de couplage de l'énergie propre du corps avec la gravité. La vérification du principe déquivalence Fort et Faible peut être testée avec les mouvements de la Terre et de la Lune autour du Soleil. Leffet faible sera testé jusquà par la mission du CNES « Microscope ».

29 Ordre de grandeur des perturbations sur la distance de la Terre à la Lune Type de pertubation Relativité générale Perturbation due aux marées Connaissance de la Lune (distribution des masses) Connaissance de la Terre Mouvement du plan de lÉcliptique Pertubations planétaires Problème principal (des 3 corps) Mouvement Képlérien Amplitude en cm daprès J.Chapront Termes de Poisson Termes périodiques

30 Exemple d une série de tirs sur la Lune et de son dépouillement Cette série a été faite avec un laser générant 2 impulsions légèrement décalées à chaque tir. Lhistogramme de gauche permet en temps réel de contrôler la fiabilité de létalonnage

31 Les limites de la précision sur la Lune En écart type : (ps) Détection départ5 Détection retour35 Chronométrage7 Horloge10 Largeur de l'impulsion135 Etalonnage4 Ecart type de la mesure détalonnage : 140 ps Dispersion du panneau AXV : Ecart type de la mesure sur AXV : ps La précision dun point normal ( équivalent à une série de 10 minutes de mesures) est en moyenne 6 mm ( de 1mm à 1cm selon le sigma et le nombre de retours ).

32 Exemple dune très bonne nuit sur les différents réflecteurs lunaires Chaque point correspond à 10 minutes dobservations (quelques dizaines déchos réels) : Point Normal O – C : distance observée moins distance calculée à lavance. 13 Avril :1220:2421:3622:480:001:12 O - C polac (ns) Apollo XV Apollo XI Apollo XIV Fit Ap. XV ns La déviation standard des résidus dApollo XV des Points Normaux est denviron 43 ps ou 7 mm, daprès les prédictions de J.Chapront ( POLAC : Paris Observatory Lunar Analysis Center ).

33 La même nuit du 13 Avril 2000 après soustraction de la courbe de tendance (polynôme du 3 ième degré) (O - C - tendance ) : la déviation standard nest plus que de 8.8 ps soit 1.3 mm. Lanalyse des nuits où les points normaux sont nombreux montre que la déviation standard varie entre 1 mm et 1 cm (en moyenne 5 mm). Ces fluctuations semblent dépendre plus de la réfraction dans latmosphère (vent) que du nombre déchos obtenus à chaque série (point normal).

34 Pourcentage des résultats par réflecteur

35 Quelques résultats de la station

36 Variation du nombre dobservations au cours du temps daprès J.Chapront

37 Nombre déchos moyen par Point Normal (un Point Normal correspond pour lOCA à 10 minutes de tirs)

38 Variation au cours du temps de linexactitude daprès J.Chapront et F.Mignard

39 Exemples de signatures de satellites

40 1 - Mesure de distance radiale Stabilité des oscillateurs Rubidium : qq (1 jour) Mesure différentielle sur 1 jour ~ qq cm Télémétrie InterPlanétaire Optique TIPO Nouvelles applications scientifiques

41 * Longueur de base au sol ~ km * Mesure différentielle entre les stations : 1 cm * Synchronisation des horloges sol : 30 ps 2 -Mesures angulaires Détermination angulaire : 2x10 -9 rd soit 200 mètres à 100 millions de km

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43 Prospective pour les satellites La station MéO (ex Laser Lune) va travailler plus régulièrement sur les satellites avec son laser 10Hz, train de 14 impulsions de 20ps. Ceci permet daugmenter le nombre de mesures réelles en simple photoélectron donc daugmenter la précision du Point Normal sous réserve que la signature du satellite le permette, ce qui est possible pour les satellites GPS 35 et 36. La station se tient prête à travailler sur la constellation de satellites Galiléo et ainsi affiner leurs orbites.


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