La Télémétrie laser Lune F. Mignard

La Télémétrie Laser-Lune Principes généraux et historique Réalisation et défis technologiques Production et perfomances Science avec la télémétrie sur la Lune

Principes généraux et historique

Positions des réflecteurs A15 L2 A11 A14

Petite histoire du Laser-Lune Apollo 11 : juillet 69  Apollo 14, 15, Lunakhod 1, 2 Echos aux USA  ~ 2 m Essais au Pic du Midi (~1970) par A. Orzag, O.Calame, M.J. Fillol Laser-lune au CERGA décidé en 1975 Premiers échos en 81 Station opérationnelle en 84  ~ 15 cm Opération laser-lune centimétrique 85-90  ~ 3 cm Opération laser-lune millimétrique 92-96  ~ 7 mm

Principes et réalisation

Principes Généraux Envoi d'une impulsion lumineuse ultra-courte Reflexion sur la lune et retour apres ~ 2.5 s Précision visée ~ 1cm : s/d = 2.5 x 10-11 soit en temps st ~ 0.1 ns La durée de l'impulsion doit être de l'ordre de 100 ps La détection du départ et du retour < ~ 20 ps Les mesures de durées doivent être meilleures que 50 ps L'échelle de temps doit avoir une stabilité de 10-12 sur 2s

Pourquoi est-ce si difficile ? Trajet aller r1 = 10-9 Largeur du faisceau laser + atmosphère ~ 4 " Tache sur la Lune : 7 km de diamètre Surface des réflecteurs : 0.1 - 0.3 m2 Trajet retour r2 = 10-9 Diffraction par les coins de cube : 12 " Dimension de la tache de retour : 25 km Télescope ~ 1 m Bilan : 1 photon de retour pour 1020 émis

Bilan final : 1 photon de retour pour 100 tirs Photonique Laser YAG à l = 532 nm E = 300 mJ n = E/hn ~ 1018 photons Bilan final : 1 photon de retour pour 100 tirs

1ph /100 tirs = 1ph réfléchi détecté toutes les 10s Photons indésirables 1ph /100 tirs = 1ph réfléchi détecté toutes les 10s Réflecteur éclairé : ~ 10" sur la lune = 1 étoile V = 0 ou 108 ph s-1m-2 nm-1 Réflecteur dans l'ombre = 104 ph s-1m-2 nm-1 Porte temporelle de 50 ns, porte spectrale de 0.1 nm  0.5 photons par tir venant de la surface lunaire Bruit : uniforme distribué sur  50 ns Signal : gaussien distribué sur ~ 1 - 2 ns

Budget d'erreur (tir à tir) s (ps) Détection départ 5 Détection retour 35 Chronométrage 5 Horloge 10 Largeur de l'impulsion 200 Etalonnage 4 Orientation des réflecteurs 0 - 300 Total 200 - 350 ps [ = 3-5 cm]

Point normal : précision - exactitude • 10 mn yc(t) y(t) Hypothèse : y(t) = yc(t) + Dt • t Position observée Position calculée <t> Dt Lune Mesure de temps de vol st : (200 - 350)/n1/2 ~ 15 - 50 ps 'Distance brute' sd : 2 - 7 mm Distance dans le vide sd : 8 - 15 mm

C'est terminé, cela doit marcher ! Lunar Corner Cube C'est terminé, cela doit marcher ! Do it yourself Fibre T = 25°C Calibration density Rotating Mirrors Nasmyth focus Spatial filter camera Optical Filters Avalanche Photo-Diode return Laser Fibre start détector Event Timer

Stations Site m opérations mesures Mc Donald Observatory 2.7 1970-1985 3500 Mc Donald LRS 0.76 1985 - 20xx 2600 Haleakala 1.0 1990 - 1993 450 OCA/CERGA 1.5 1984 - 20xx 7500 Total 14000 Essais : Australie, Allemagne

Station à Calern

Organisation en France Equipe du CERGA : Développement, maintenance, observations, validation, distribution Equipe technique de 7 personnes (responsable :J.F. Mangin) (Ch. Veillet responsable général jusqu'en 1996) Equipe du DANOF Analyse et exploitation scientifique Equipe de recherche de 3 personnes (responsable : J. Chapront) Direction scientifique, relations internationales : F. Mignard

Production et perfomances

Nombre de mesures par an

Observations selon la phase de la Lune

Distribution des retours par point normal

Hauteur de la Lune

Précision externe (rms des résidus) (from J. Chapront)

Science avec la télémétrie sur la Lune

Objectifs Scientifiques  Sélénophysique  Mécanique céleste  Systèmes de référence terrestre et céleste  Rotation de la Terre  Précession, Nutation  Tests des théories de la gravitation  EP, paramètres PPN, Précession géodésique, dG/dt

Ordre de grandeur des perturbations (from J. Chapront)

(Dickey , 1996 ; Williams , 1998 ; Chapront 1999, 2000) Sélénophysique  Coordonnées des réflecteurs ( ~ 1m)  Libration physique de la Lune (3 modes)  Moments lunaires* (C/MR2 = 0.3932 ± 0.0002)  G(M+ m) (~ 0.002 km3/s2 )  G M (398600.443 ± 0.004 km3/s2 )  Masse de la Lune* (81.300566 ± 0.00002)  Nombre de Love lunaire (k2 =0.0287 ± 0.0008)  Q lunaire (37 à 1 mois et 60 à 1 an)  Détection d'un noyau fluide <400km (Dickey , 1996 ; Williams , 1998 ; Chapront 1999, 2000)

Mouvements et Systèmes de référence  Position et vitesse de la Lune ( ~ 1 cm)  Accélération séculaire : dn/dt = -25.836 ± 0.004 "/cy2  Eloignement de la Lune : 3.8 cm/yr  Constante de précession : dy = -3.16 ± 0.03 mas/yr  Suivi rapide la rotation de la Terre (Chapront et al, 2000)

Théorie de la Gravitation  Modèle relativiste pour le mouvement de la Lune  Introduction des paramètres PPN b et g dans la théorie  Ajustement avec les autres paramètres généraux Williams et al., 2000

Test du principe d'équivalence GE GM r' Lune/Terre : Force perturbatrice complémentaire conduisant à : (période : 29.53 d) Williams et al., 2000 Ajustement sur les données : Soit en amplitude : 2  5 mm sur les distances

Interprétation WEP : Effet de la composition sur la chute libre SEP : Couplage de l'énergie propre avec la gravité Expérience du groupe Eöt-Wash : (Baesler et al. , 1999) Terre : Eg/mc2 = 4.6 x 10-10 Lune : Eg/mc2 = 0.2 x 10-10 Approx. PPN : h = - 0.0002  0.0009 b - 1 = 1  0.0004 (g à 0.001)

EP : Perspective à court terme from Will, 1998 En 2010 avec le même taux d'observation : WEP testé à 10-15 (µscope) ou 10-18 (Ministep) g à 10-5 - 10-6 (GPB, Cassini, FAME, DIVA)

Variation de la constante de Newton Déterminations récentes  Lunar occultations, eclipses -3.0  2.5 x 10-11 /yr Muller, 1978  Planetary and Viking ranging -3.0  0.6 x 10-11 /yr Reasenberg, 1983  Binary pulsar -1.1  1.1 x 10-11 /yr Damour, 1988  White dwarfs -1.0  1.0 x 10-11 /yr Garcia-Berro, 1995  Lunar laser ranging -1.0  0.8 x 10-11 /yr Williams, 1996  Lunar laser ranging -1.0  0.3 x 10-11 /yr Williams, 1998  Helioseismology -0.0  0.2 x 10-11 /yr Guenther, 1998  Lunar laser ranging -0.0  0.1 x 10-11 /yr Williams, 2000 Améliorations en t5/2 ===> + 10 ans = 0.02 - 0.01 x 10-11/yr Corrélation (0.4) avec la dissipation

Perspectives

Perspectives à moyen terme Pas d'évolution majeure dans la technologie Utilisation d'un laser de largeur 50 ps Comparaison des mesures en visible et IR Besoin de jouvence mécanique Amélioration rapide des paramètres de la gravitation Meilleure détermination de b Evaluation de la dissipation d'énergie dans les océans Utilisation en mode service pour la rotation de la Terre Passage à la télémétrie interplanétaire en optique : TIPO

Y-a quelqu'un ?