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La Télémétrie laser Lune F. Mignard

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. L1. L2. Positions des réflecteurs. A15. A11. A14.

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La Télémétrie laser Lune F. Mignard

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  1. La Télémétrie laser Lune F. Mignard

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

  3. Principes généraux et historique

  4. L1 L2 Positions des réflecteurs A15 A11 A14

  5. 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 auCERGA décidé en 1975 • Premiers échos en 81 • Station opérationnelle en 84  ~ 15 cm Opération laser-lune centimétrique 85-90  ~ 3 cmOpération laser-lune millimétrique 92-96  ~ 7 mm

  6. Principes et réalisation

  7. 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

  8. Trajet aller r1 = 10-9 Trajet retour r2 = 10-9 Pourquoi est-ce si difficile ? • Largeur du faisceau laser + atmosphère ~ 4 " • Tache sur la Lune : 7 km de diamètre • Surface des réflecteurs : 0.1 - 0.3 m2 • 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

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

  10. 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

  11. 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]

  12. Lune Hypothèse : y(t) = yc(t) + Dt t • • • Position observée • • • • • • • • • • • • y(t) Dt • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Position calculée • • yc(t) <t> t 10 mn • 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 Point normal : précision - exactitude

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

  14. 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

  15. Station à Calern

  16. 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

  17. Production et perfomances

  18. Nombre de mesures par an

  19. Observations selon la phase de la Lune

  20. Distribution des retours par point normal

  21. Hauteur de la Lune

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

  23. Science avec la télémétrie sur la Lune

  24. 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

  25. Ordre de grandeur des perturbations (from J. Chapront)

  26. 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)

  27. 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)

  28. 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

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

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

  31. from Will, 1998 EP : Perspective à court terme • 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)

  32. 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

  33. Perspectives

  34. 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

  35. Y-a quelqu'un ?

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