Förra veckan, forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST), National Aeronautics and Space Administration (NASA), United States Geological Survey (USGS) och University of Guelph skickade ett teleskop till himlens topp, nästan till rymden själv. Resan var ett månskensinsamlingsuppdrag som har gett några av de bästa mätningarna som någonsin gjorts av ljusstyrkan, eller mer specifikt ytreflektansen, av jordens närmaste granne, månen.

Det slutliga målet med arbetet är att förbättra mätningar gjorda av satelliter som tittar ner på jorden och hjälpa forskare att spåra vädermönster, trender inom växthälsa, platserna för skadliga algblomningar i vatten och mycket mer.

NIST:s utrustning flög ombord på NASA:s ER-2, ett "nära rymdplan" som färdas så högt som 21 kilometer (cirka 13 miles) över havet. Den typen av avstånd, dubbelt så marschhöjd som ett typiskt kommersiellt flygplan, fick utrustningen över 95% av jordens atmosfär, som stör månskensmätningar. Uppdraget, kallad Airborne Lunar Spectral Irradiance Mission (air-LUSI), lanserades från NASA Armstrong Flight Research Center i Kalifornien.

Att se jorden från rymden

Hundratals satelliter som vetter mot jorden ger information om väder och växtlighet som gör det möjligt för forskare att förutsäga svält och översvämningar och kan hjälpa samhällen att planera nödåtgärder och katastrofhjälp. För att samla in denna viktiga data, rymdbaserade bildapparater förlitar sig på ljusstyrkan hos olika våglängder – som det ibland hjälper att tänka på som färger – av solljus som reflekteras från vår planet.

För att se till att en satellitkameras "gröna" inte är en annans "gula, Varje kamera måste kalibreras mot en gemensam källa i rymden. Månen är ett bekvämt mål eftersom, till skillnad från jorden, den har ingen atmosfär och dess yta förändras mycket lite.

I teorin, om forskarna känner till solens relativa inriktning, Månen och satelliten, de borde kunna förutsäga mängden ljus som kommer från månen. Specifikt, forskare är intresserade av att mäta den "spektrala bestrålningen" av ljus som reflekteras från månen - det vill säga, mängden energi per ytenhet i diskreta bandbredder av våglängd.

"Det finns en modell som förutspår, baserat på var du tittar ifrån och var månen och solen är, vad den spektrala bestrålningen blir, " sa NIST-fysikern John Woodward. Men på grund av osäkerheter om månens verkliga ljusstyrka, även de bästa kalibreringarna idag är bara exakta inom 3 % till 5 %.

Forskare skulle vilja minska denna felaktighet till mindre än 1 %. Ju mer exakta kalibreringarna är, desto mer förtroende kan forskare ha för satellitbilder av jorden.

Varför har inte högre noggrannhet varit möjlig tidigare? Främst för att jordbaserade detektorer måste titta på månsken genom jordens atmosfär, som absorberar vissa våglängder av ljus mer än andra på sätt som inte är helt förutsägbara, sa Woodward.

Att lansera detektorerna i rymden löser detta problem genom att tillåta forskare att samla månljus obehindrat. Men det ger en annan utmaning:Väl i rymden, instrumenten är faktiskt otillgängliga, så forskare kan inte kalibrera dem ordentligt före varje mätning.

För att samla in bättre månskensdata, forskare behöver två saker:en klar sikt av månen med minimal störning från atmosfären, och fysisk tillgång till detektorerna för frekventa kalibreringar.

Hur man fångar en månstråle

Med hjälp av NASA:s höghöjdsflygplan ER-2, NIST-teamet mätte månsken över hela det synliga ljusspektrumet och även in i det nära-infraröda spektrumet, från cirka 380 nanometer (det blåaste ljuset våra ögon kan se) till 1, 000 nanometer (rödare än vad våra ögon kan se). Varje bandbredd de mätte var extremt smal – bara några nanometer bred.

ER-2 är designad för att ta vetenskaplig utrustning ovanför större delen av atmosfären för observationer som varar timmar åt gången. Inne i den lilla sittbrunnen finns plats för en enda pilot i rymddräkt. NIST:s forskningsutrustning förvaras i en lång container under en av planets vingar. En öppning på toppen av denna kapsel ger teleskopet och kameran en klar sikt över månen.

Forskare som vill använda planets tjänster måste bygga instrument som uppfyller stränga vikt- och storleksspecifikationer - en utmaning för NIST-teamet.

"Det var mycket mer ingenjörskonst än vi hade förväntat oss, " sa Woodward. "Vid 70, 000 fot, det är väldigt lite atmosfärstryck. Och det är ungefär -60 grader C, så det är väldigt kallt."

Särskilt, de var tvungna att skapa en temperatur- och tryckkontrollerad behållare för sitt datainsamlingssystem, som vanligtvis inte kan fungera på så höga höjder.

Väger cirka 225 kg (ungefär 500 pund) totalt, NIST:s utrustning inkluderar ett teleskop för att samla in månskenet, en kamera som används för att lokalisera månen, och en LED-ljuskälla som används för att kontrollera att systemet förblir kalibrerat under den tid det tar för planet att komma upp på höjden.

Nyckeln till att hålla osäkerheten på dessa mätningar så låg som möjligt kommer från forskarnas lätta tillgång till apparaten direkt före och efter dess flygning, sa Woodward. Strax före start och strax efter landning, teamet kalibrerar utrustningen på marken, med hjälp av en stabil ljuskälla som redan har karakteriserats väl. Den här typen av tester före och efter flygning skulle inte vara möjliga om forskarna försökte samla in informationen med en satellit som sänds ut i rymden.

Resultaten från novemberflygningarna borde vara "till stor nytta för satellitkalibreringsgemenskapen, " sade NIST-fysikern Stephen Maxwell. Dessutom, data kommer att hjälpa NIST-teamet att förbereda sig för ännu ett experiment med månskenssamling.

Innan du startar air-LUSI-projektet, NIST-forskare hade utvecklat en metod för att karakterisera atmosfären varje natt, så att det i huvudsak kunde subtraheras från markbaserade mätningar. Teamet planerar att använda denna metod i ett månskensexperiment vid Mauna Loa-observatoriet på Hawaii, på en plats om 3, 400 meter (11, 150 fot) hög.

Även om ett markbaserat experiment har många fördelar, inklusive längre visningsperioder och enklare tillgång till utrustning, Mauna Loa-systemet kommer fortfarande att behöva titta igenom dussintals kilometer (hundratusentals fot) av månskensspektrumförvrängande atmosfär.

"Mauna Loa Observatory är en av de bästa atmosfärsplatserna som du kan observera från, " Sa Woodward. "Men det lämnade frågan:Kan vi bli av med atmosfären helt?" Att samla in månsken ovanifrån det mesta av atmosfären kommer att hjälpa forskare att förfina modellen de kommer att använda för Mauna Loa-experimentet.

"Datan vi samlade in den här månaden ser riktigt bra ut, Woodward sa. "Hela teamet har gjort ett fantastiskt jobb med att få det här instrumentet att flyga, och ER-2-teamet på Armstrong har varit en fantastisk partner för att göra detta till en framgång."