Dussintals gånger under det senaste decenniet har NASA-forskare sänt ut laserstrålar mot en reflektor i storleken på en pocketbok med cirka 240, 000 miles (385, 000 kilometer) bort från jorden. De meddelade idag, i samarbete med sina franska kollegor, att de fick signal tillbaka för första gången, ett uppmuntrande resultat som kan förbättra laserexperiment som används för att studera universums fysik.

Reflektorn som NASA-forskarna siktar på är monterad på Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), en rymdfarkost som har studerat månen från dess omloppsbana sedan 2009. En anledning till att ingenjörer placerade reflektorn på LRO var så att den kunde fungera som ett orördt mål för att hjälpa till att testa reflektionskraften hos paneler som fanns kvar på månens yta för ungefär 50 år sedan. Dessa äldre reflektorer ger en svag signal, vilket gör det svårare att använda dem för vetenskap.

Forskare har använt reflektorer på månen sedan Apollo-eran för att lära sig mer om vår närmaste granne. Det är ett ganska enkelt experiment:Rikta en ljusstråle mot reflektorn och se hur lång tid det tar för ljuset att komma tillbaka. Decennier av att göra denna enda mätning har lett till stora upptäckter.

En av de största uppenbarelserna är att jorden och månen sakta glider isär i den takt som naglarna växer, eller 1,5 tum (3,8 centimeter) per år. Detta ökande gap är resultatet av gravitationsinteraktioner mellan de två kropparna.

"Nu när vi har samlat in data i 50 år, vi kan se trender som vi inte skulle ha kunnat se annars, sa Erwan Mazarico, en planetforskare från NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland som koordinerade LRO-experimentet som beskrevs den 7 augusti i tidskriften Earth, Planeter och rymden.

"Laseravståndsvetenskap är ett långt spel, sa Mazarico.

Men om forskare ska fortsätta använda ytpanelerna långt in i framtiden, de måste ta reda på varför vissa av dem bara returnerar en tiondel av den förväntade signalen.

Det finns fem reflekterande paneler på månen. Två levererades av Apollo 11 och 14 besättningar 1969 och 1971, respektive. De är var och en gjord av 100 speglar som forskare kallar "hörnkuber, " eftersom de är hörn av en glaskub; fördelen med dessa speglar är att de kan reflektera ljus tillbaka till vilken riktning det kommer ifrån. En annan panel med 300 hörnkuber släpptes av Apollo 15-astronauter 1973. Sovjetiska robotrovers kallade Lunokhod 1 och 2, som landade 1970 och 1973, bära två extra reflexer, med 14 speglar vardera. Kollektivt, dessa reflektorer utgör det sista vetenskapliga experimentet från Apollo-eran.

Vissa experter misstänker att damm kan ha lagt sig på dessa reflektorer med tiden, möjligen efter att ha blivit sparkad upp av mikrometeoritslag mot månens yta. Som ett resultat, dammet kan blockera ljuset från att nå speglarna och även isolera speglarna och få dem att överhettas och bli mindre effektiva. Forskare hoppades kunna använda LRO:s reflektor för att avgöra om det är sant. De tänkte att om de hittade en avvikelse i ljuset som returnerades från LRO:s reflektor kontra ytorna, de kunde använda datormodeller för att testa om damm, eller något annat, är ansvarig. Oavsett orsak, forskare kan sedan redogöra för det i sin dataanalys.

Trots deras första framgångsrika laseravståndsexperiment, Mazarico och hans team har inte löst dammfrågan än. Forskarna förfinar sin teknik så att de kan samla in fler mätningar.

Konsten att skicka en fotonstråle till månen... och få tillbaka den

Sålänge, forskare fortsätter att lita på ytreflektorerna för att lära sig nya saker, trots den svagare signalen.

Genom att mäta hur lång tid det tar för laserljus att studsa tillbaka - cirka 2,5 sekunder i genomsnitt - kan forskare beräkna avståndet mellan jordens laserstationer och månreflektorer ner till mindre än en tum, eller några millimeter. Det här är ungefär lika tjock som ett apelsinskal.

Förutom jord-måndriften, sådana mätningar under lång tid och över flera reflektorer har visat att månen har en flytande kärna. Forskare kan berätta genom att övervaka de minsta vinklarna när månen roterar. Men de vill veta om det finns en fast kärna inuti den vätskan, sa Vishnu Viswanathan, en NASA Goddard-forskare som studerar månens inre struktur.

"Att veta om månens inre har större konsekvenser som involverar månens utveckling och förklarar tidpunkten för dess magnetfält och hur den dog ut, " sa Viswanathan.

Magnetiska mätningar av månprover som returnerats av Apollo-astronauter avslöjade något som ingen hade förväntat sig med tanke på hur liten månen är:vår satellit hade ett magnetfält för miljarder år sedan. Forskare har försökt ta reda på vad inuti månen kunde ha genererat det.

Laserexperiment kan hjälpa till att avslöja om det finns fast material i månens kärna som skulle ha hjälpt till att driva det nu utdöda magnetfältet. Men för att lära dig mer, forskare måste först veta avståndet mellan jordstationer och månreflektorerna med en högre noggrannhetsgrad än de nuvarande få millimeterna. "Precisionen i denna ena mätning har potential att förfina vår förståelse av gravitationen och solsystemets utveckling, sa Xiaoli Sun, en planetforskare från Goddard som hjälpte till att designa LRO:s reflektor.

Få fler fotoner till månen och tillbaka och bättre redogöra för de som går förlorade på grund av damm, till exempel, är ett par sätt att förbättra precisionen. Men det är en häftig uppgift.

Tänk på ytpanelerna. Forskare måste först fastställa den exakta platsen för var och en, som ständigt förändras med månens bana. Sedan, laserfotonerna måste resa två gånger genom jordens tjocka atmosfär, som tenderar att sprida dem.

Således, det som börjar som en ljusstråle som är cirka 10 fot, eller några meter, bred på marken kan sprida sig till mer än en mil, eller två kilometer, när den når månens yta, och mycket bredare när den studsar tillbaka. Det översätts till en chans på en på 25 miljoner att en foton som sänds upp från jorden kommer att nå Apollo 11-reflektorn. För de få fotoner som lyckas nå månen, det är ännu mindre chans, en på 250 miljoner, att de kommer tillbaka, enligt vissa uppskattningar.

Om dessa odds verkar skrämmande, att nå LRO:s reflektor är ännu mer utmanande. För en, det är en tiondel av storleken på de mindre Apollo 11 och 14 panelerna, med endast 12 hörnkubspeglar. Den är också fäst vid ett snabbt rörligt mål av storleken på en kompakt bil som är 70 gånger längre bort från oss än vad Miami är från Seattle. Vädret vid laserstationen påverkar ljussignalen, för, liksom solens inriktning, månen och jorden.

Det är därför som NASA Goddard-forskare, trots flera försök under det senaste decenniet, inte lyckats nå LRO:s reflektor förrän deras samarbete med franska forskare.

Deras framgång hittills är baserad på att använda avancerad teknik utvecklad av Géoazur-teamet vid Université Côte d'Azur för en laserstation i Grasse, Frankrike, som kan pulsera en infraröd våglängd av ljus vid LRO. En fördel med att använda infrarött ljus är att det penetrerar jordens atmosfär bättre än den synliga gröna våglängden av ljus som forskare traditionellt har använt.

Men även med infrarött ljus, Grasse-teleskopet tog bara emot cirka 200 fotoner tillbaka av tiotusentals pulser som kastades vid LRO under några datum under 2018 och 2019, Mazarico och hans team rapporterar i sin tidning.

Det kanske inte verkar så mycket, men även ett fåtal fotoner över tiden skulle kunna hjälpa till att svara på frågan om ytreflektordamm. En framgångsrik laserstråleretur visar också löftet om att använda infraröd laser för exakt övervakning av jordens och månens banor, och att använda många små reflektorer – kanske installerade på NASA:s kommersiella månlandare – för att göra det. Det är därför vissa forskare skulle vilja se nya och förbättrade reflektorer skickade till fler regioner på månen, vilket NASA planerar att göra. Andra kräver att fler anläggningar runt om i världen är utrustade med infraröda lasrar som kan pulsera till månen från olika vinklar, vilket ytterligare kan förbättra precisionen i avståndsmätningarna. Nya metoder för laseravstånd som dessa kan säkerställa att arvet från dessa grundläggande studier kommer att fortsätta, säger forskare.