月レーザー測距実験

月レーザー測距実験（つきレーザーそくきょじっけん、英語: Lunar Laser Ranging experiment）あるいは月レーザー測距（つきレーザーそくきょ、英語: Lunar Laser Ranging; LLR）は、LIDARを用いた地球と月の距離の測定である。地球上のレーザーで、アポロ計画により月面に設置された再帰反射器（コーナーキューブ）を狙い、反射した光が戻ってくるまでの時間を測定する。

アポロ11号のミッションでの月レーザー測距実験

初期の試験、アポロ、ルノホート

アポロ15号のミッションで用いられた再帰反射器

アポロ15号のミッションで用いられた再帰反射器の模式図

1962年、マサチューセッツ工科大学のチームが初めて反射レーザーのミリ秒パルスを観測することに成功した。同様の測定は、クリミア天体物理天文台のチームにおいても、Qスイッチのルビーレーザーを用いて同年になされている^[1]。1969年7月21日に、アポロ11号の乗組員によって再帰反射器アレーが月面に設置されると精度が更に向上した。アポロ14号とアポロ15号では、さらに2つの再帰反射器アレーが設置され、実験に貢献した。月までの距離の測定は、リック天文台、アリゾナ州の空軍ケンブリッジ研究所月測距観測所、フランスのピク・デュ・ミディ天文台、東京天文台、テキサス州のマクドナルド天文台によって初めて報告された。

ソビエト連邦のルノホート1号とルノホート2号によっても同様のアレーが運ばれた。ルノホート1号からの反射シグナルは当初は受信されたが、1971年以降は、2010年4月にカリフォルニア大学のチームがルナー・リコネサンス・オービターの画像からアレーを再発見するまで、検出されなくなった^[2]。ルノホート2号のアレーは、地球にシグナルを返し続けた^[3]。ルノホートのアレーは、アポロ計画のものと同じように、太陽からの直射光を受けて性能が落ちていった^[4]。

アポロ15号のアレーは、先の2度のアポロ計画で設置されたものと比べて3倍の大きさを持つ。その大きさにより、最初の25年間で行われた実験のうち、4分の3の標的となってきた。それ以降の技術の進歩によって、より小さなアレーが用いられるようになった。

詳細

月までの距離は、次の式を用いて概算値を求めることができる。

距離 = (光速 × 往復の時間) / 2

実際は、往復で約2.5秒は、地球と月の相対運動、地球の自転、月の秤動、気象、極運動、地球の大気による伝播遅延、地殻運動や潮汐作用による観測局の運動、大気中の経路による光速の差、相対性理論による効果等の影響を受ける^[5]。それにも拘らず、地球と月の間の距離は、過去35年間で最も高い精度で求められた。様々な理由により、観測毎の距離は異なるが、平均値は約38万4,467kmであった。

月の表面では、ビームはわずか約6.5kmの幅であり^[6]、これは3km離れたところから動く10セント硬貨をライフル銃で撃つようなものだと喩えられる。反射光は裸眼では見えないほど弱く、数秒毎に反射器に向けて発射される10¹⁷個の光子のうち地球に戻ってくるのは、良い条件の時でわずか1個である。レーザーは高い単色性をもつため、この光子はレーザーを反射したものだと判断できる。これは、史上最も正確な距離測定の1つであり、ロサンゼルスとニューヨークの間の距離を100分の1インチ精度で測定することに匹敵する^[4][7]。2002年時点で、反射器の性能は年を経る事に悪くなっているが、月と地球の間の距離をmm単位の精確さで測定するための研究が続けられている^[4]。

結果

長期間の実験による発見は次のとおり：

• 月は、年間 3.8 cm の速さで、地球かららせん状に遠ざかっている^{[6][8][9][10]}。この速度は、異常に速いと言われる^[11]。
• 月は、恐らく半径の20%程度の液体の核を持つ^[3]。
• 万有引力理論は非常に安定している。この実験では、1969年以降、ニュートンの重力定数Gの上限を、10¹¹分の1引き上げただけである^[3]。
• ノルドベッド効果（英語版）は、高い確度で排除され^[12][13]、強い等価原理の妥当性が示唆された。
• アインシュタインの一般相対性理論は、月の軌道を高い精度で予測した^[3]。

月面の反射器の存在は、アポロ計画陰謀論への反証として利用されてきた。例えば、 APOLLO Collaboration の光子パルスのパターンは、既知の着陸地点の付近に反射器が存在することと整合している。

ギャラリー

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  アポロ14号の反射器
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  APOLLO Collaborationの光子パルスの帰還時間
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  ドイツにある月レーザー測距実験の地上局
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  レーザー施設