Sternengeschichten Folge 717: Lunar Laser Ranging

Shownotes

Sternengeschichten Folge 717: Lunar Laser Ranging

"Professor Dicke, würden Sie bitte prüfen, ob das irgendeinen Sinn ergibt?". Diesen Satz hat James Faller im Jahr 1962 in die Ecke einer kurzen Notiz geschrieben, die er seinem Chef, dem Physiker Robert Dicke zeigen wollte. Der Text von Faller trug den Titel "A Proposed Lunar Package (A Corner Reflector on the Moon)" und darin wird ein wissenschaftliches Experiment beschrieben, dass auf dem Mond durchgeführt werden könnte. Faller hat sich einen Reflektor vorgestellt, der auf der Mondoberfläche platziert wird und der von der Erde aus mit einem Laserstrahl angepeilt werden kann. Wenn das Laserlicht davon wieder zurück auf die Erde reflektiert wird, lässt sich aus der Laufzeit des Strahls die Distanz zwischen Erde und Mond messen. Robert Dicke schickte die Notiz von Faller mit der Anmerkung "Vielleicht können wir darüber mal diskutieren" zurück und offensichtlich haben sie das auch gemacht, denn als sieben Jahre später Neil Armstrong und Buzz Aldrin als erste Menschen auf dem Mond gelandet sind, hatten sie genau so ein Lunar Laser Ranging Experiment mit Gepäck.

Aber was soll es eigentlich bringen, Laserstrahlen zwischen Mond und Erde hin und her zu schicken? Mehr als man glauben würde, wie wir im Verlauf dieser Folge noch erfahren werden. Die Geschichte des "Lunar Laser Rangings", wie diese Art der Experimente offiziell heißt, hat aber nicht mit James Faller begonnen, sondern ein kleines bisschen davor. Am 9., 10. und 11. Mai 1962 haben der amerikanische Ingenieur Louis Smullin und der italienische Physiker Giorgio Fiocco, die damals beide am Massachusetts Institute of Technology, dem MIT, gearbeitet haben, ebenfalls probiert, Laserechos vom Mond zu erhalten. Die Ergebnisse haben sie kurz danach unter dem Titel "Optische Echos vom Mond" veröffentlicht, darin aber eigentlich nur festgestellt, dass es prinzipiell möglich ist, Laserstrahlen von der Erde aus in Richtung Mond zu schicken und die von der Mondoberfläche reflektierten Strahlen wieder zu registrieren. Wenn man damit aber wissenschaftlich sinnvolle Arbeit machen will, braucht es das, was James Faller sich überlegt hat: Reflektoren auf dem Mond.

So ein Laserreflektor besteht üblicherweise aus Tripelprismen, also Bauteilen aus Glas, die auftrefendes Licht wieder in die Richtung zurückschicken, aus der es gekommen ist. Wir kennen das alle aus dem Alltag, zum Beispiel von den "Katzenaugen", die wir an unsere Fahrräder montieren um besser sichtbar zu sein. Für Experimente auf dem Mond kann man aber nicht einfach ein paar Katzenaugen aus Plastik ins All schicken. Die Reflektoren, die 1969 mit der Apollo-Mission zum Mond geflogen sind, bestanden aus einigen hundert solcher Tripelprismen, die jeweils 4 Zentimeter im Durchmesser hatten. Sie bestanden aus einem speziellen Quarzglas, das besonders stabil gegenüber dem Einfluss der kosmischen Strahlung ist. Normale Materialien würden durch diese hochenergetische Strahlung sehr schnell so zerstört werden, dass sie nicht mehr sinnvoll reflektieren können. Das Glas entwickelt und die Prismen gebaut hat übrigens eine deutsche Firma: Heraeus aus Hanau. Und als Neil Armstrong und Buzz Aldrin am 21. Juli 1969 am Mond gelandet waren, gehörte zu ihren ersten Aufgaben dort auch die Installation des Laser-Reflektors. Zwei weitere sind mit Apollo 14 und Apollo 15 zum Mond geflogen und auch die sowjetischen Mondrover Lunokhod 1 und Lunokhod 2, die 1970 und 1973 auf dem Mond gelandet sind, waren mit kleinen Reflektoren ausgestattet.

Aber was stellt man nun mit diesen Dingern an und vor allem wie stellt man es an? Das Prinzip ist einfach: Man schickt einen Laserstrahl von der Erde ins All, der genau auf einen der Laserreflektoren gerichtet ist. Dort wird er reflektiert und mit einem passenden Teleskop wird der zurückkehrende Strahl registriert. Man misst die Zeit, die dieses Hin und Her gedauert hat und daraus lassen sich jede Menge spannende wissenschaftliche Daten ableiten. In der Praxis ist das alles aber sehr viel schwerer. Gleich der erste Versuch, direkt nach der Landung von Armstrong und Aldrin am 21. Juli 1969, ist fehlgeschlagen, weil der Astronom Joseph Miller und seine Kollegen von der Lick-Sternwarte in den USA den Laserstrahl auf die falsche Stelle gerichtet haben. Aber kurz danach, schon am 1. August 1969, waren sie erfolgreich. Und das war eine durchaus beeindruckende Leistung! Wir dürfen uns die Laserstrahlen nicht so vorstellen, wie die, wir zum Beispiel von den Laserpointern im Alltag kennen. Beziehungsweise schon, denn es sind ja in beiden Fällen Laserstrahlen. Aber mit einem Laserpointer zeigen wir auf Objekte, die vielleicht ein paar Meter entfernt sind. Der Mond ist aber gut 400.000 Kilomter weit weg und das ist etwas ganz anderes. Ein typischer Laserstrahl, der bei den Lunar Ranging Experimenten verwendet wird, ist kein eng fokusierter Strahl mehr, wenn er auf dem Mond auftrifft! Selbst der beste Laser lässt sich nicht unendlich weit fokusieren, der Strahl läuft irgendwann auseinander und um so weiter, je weiter er sich bewegt. Oder anders gesagt: Der Laserstrahl, der von der Erde aus auf den Weg geschickt wird, hat beim Eintreffen auf dem Mond einen Durchmesser von circa 6,5 Kilometern. Das ist sehr viel, aber dann auch wieder nicht. 6,5 Kilometer auf 400.000 Kilometer Entfernung ist eigentlich nichts, besonders dann, wenn man damit einen ganz bestimmten Punkt der Mondoberfläche treffen will. Das ist ungefähr so, als wolle man mit einem Gewehr eine 1-Cent-Münze treffen, die 3 Kilometer weit weg ist. Es ist also gar nicht so schlecht, wenn der Laserstrahl sich ein wenig aufweitet, denn das erhöht die Chance, den Reflektor zu treffen. Aber natürlich verliert man dadurch auch ein wenig Helligkeit. Oder besser sehr gesagt: Sehr viel Helligkeit. Ein typischer Laserpuls, den man für die Lunar Ranging Experimente verwendet besteht aus ein paar hundert Billiarden Photonen. Die meisten davon landen irgendwo, aber nicht auf der Oberfläche des Reflektors. Die, die dort wieder zurück zur Erde geschickt werden, kommen aber natürlich auch nicht fokusiert an. Von den Billiarden Photonen werden am Ende nur ein paar von den Teleskopen auf der Erde detektiert. Und "ein paar" heißt hier wirklich: Eine einstellige Zahl, irgendwas zwischen einem und fünf Photonen.

Man kann also nicht einfach mit einem Laser auf den Mond schießen und sieht dann dort den Reflektor aufleuchten. Es ist eine komplexe Aufgabe, die wenigen Photonen zu registrieren, die wieder zurück kommen. Beziehungsweise: Sie zu identifizieren. Wüsste man nicht vorher schon, wann sie wieder ankommen müssen und vor allem um welche Art von Licht es sich handelt, hätte man keine Chance. Auch deswegen ist es wichtig, diese Experimente mit Laserlicht zu machen: Alle Photonen, die der Laser aussendet haben exakt die selbe Energie und das gilt auch für die, die wieder zurückkommen. Oder anders gesagt: Das Licht des Lasers ist einfarbig und man muss nur nach Photonen mit genau dieser Farbe suchen. Einfach ist das alles immer noch nicht, man muss auch berücksichtigen, dass der Laser sich durch die Atmosphäre der Erde bewegt, dass der Mond sich bewegt, und so weiter. Aber mittlerweile sind wir sehr gut darin geworden, diese Experimente durchzuführen. Wir können die Reflektoren am Mond anpeilen und genau registrieren, wann und wie viel Licht zurück kommt. Mit sehr viel Mathematik und Statistik kann man diese Daten dann sinnvoll auswerten und das erste und direkteste Ergebnis ist die Distanz zwischen Erde und Mond. Wir wissen, wie schnell sich das Licht bewegt, und wenn wir wissen, wie lange es zum Mond und wieder zurück braucht, können wir bestimmen, wie weit der Mond weg ist. Und zwar sehr, sehr genau, bis auf den Millimeter. Das wiederum macht viele andere wissenschaftliche Messungen möglich. Ich habe in den vergangenen Folgen der Sternengeschichten immer wieder mal über das Phänomen der Gezeitenreibung gesprochen. Kurz gesagt: Der Mond übt Gezeiten auf die Erde aus; die Erde aber auch genau so auf den Mond. Das hat - ohne jetzt die Details zu wiederholen - zur Folge, dass sich die Erdrotation im Laufe der Zeit abbremst und das wiederrum führt dazu, dass der Mond sich im Laufe der Zeit von der Erde entfernt. Dank des Lunar-Rangings können wir das auch exakt messen: Der Abstand zwischen Erde und Mond vergrößert sich pro Jahr um 3,8 Zentimeter.

Das ist aber erst der Anfang! Wenn man über Jahre und Jahrzehnte immer wieder den Abstand zwischen Erde und Mond bestimmt, dann kann man natürlich auch sehr, sehr exakt bestimmen, auf welcher Bahn er sich bewegt; wie er sich um seine Achse dreht, und so weiter. Und mit diesen Daten lässt sich sehr viel anfangen. Die beobachtete Bewegung des Mondes stimmt zum Beispiel exakt mit dem überein, was aus Einsteins Relativitätstheorie folgt. Oder andersherum: Wenn wir mit noch präziseren Messungen noch bessere Daten bekommen, dann könnten die vielleicht Abweichungen zeigen und uns Hinweise darauf geben, wie eine Gravitationstheorie aussehen muss, die über Einstein hinaus geht. Aus der Rotation und der Bewegung des Mondes können wir aber auch Rückschlüsse über sein Inneres ziehen und da zeigen uns die Daten, dass der Kern des Mondes flüssig sein muss. Und so weiter: Die Lunar-Laser-Ranging-Experimente sagen uns nicht einfach nur, wie weit der Mond entfernt ist, sondern helfen uns dabei, das Verhalten des ganzen Himmelskörpers zu verstehen. Wir lernen dabei etwas über die Grundlagen der Physik und sogar über unsere eigene Erde. Denn wir können die Daten der Experimente auch nutzen, um die Position der Bodenstationen sehr exakt zu bestimmen. Und im Laufe der Zeit die Veränderung dieser Koordinaten, das heißt, den Einfluss der Bewegung der Kontinentalplatten auf der Erde, geologische Prozesse, die den Boden heben oder senken, und so weiter.

Wir können die Frage, die James Faller 1962 an seinen Professor gestellt hat, also heute klar und deutlich beantworten: Ja, das ergibt definitiv sehr viel Sinn!