Bagaimanakah Saintis Mengukur Jarak ke Bulan Menggunakan Laser?

Bulan kelihatan begitu dekat apabila kita memandangnya pada waktu malam. Namun, jarak purata antara pusat Bumi dengan pusat Bulan ialah kira-kira 384,000 kilometer. Bagaimanakah jarak yang begitu jauh dapat diukur dengan tepat?

Salah satu kaedah yang digunakan oleh saintis ialah pengukuran jarak menggunakan laser. Denyutan cahaya laser dihantar dari Bumi ke pemantul khas di permukaan Bulan, dan sebahagian kecil cahaya itu kembali ke Bumi lalu dikesan menggunakan peralatan yang sangat sensitif. Dengan mengukur masa perjalanan cahaya dan mengambil kira faktor pembetulan yang berkaitan, saintis dapat menentukan jarak antara stesen pemerhatian di Bumi dengan pemantul di permukaan Bulan.

Cahaya memerlukan masa untuk bergerak

Cahaya bergerak dengan sangat pantas, tetapi kelajuannya bukan tidak terhingga. Dalam ruang hampa, kelajuan cahaya ditetapkan pada nilai tepat 299,792,458 meter sesaat, iaitu kira-kira 300,000 kilometer sesaat. Oleh sebab kelajuan cahaya terhingga, perjalanan merentasi jarak yang jauh tetap memerlukan masa. Sebagai contoh, cahaya mengambil masa lebih kurang 1.28 saat untuk merentasi jarak 384,000 kilometer dalam ruang hampa. Nilai kelajuan cahaya dalam ruang hampa ini turut digunakan dalam takrif rasmi meter bagi Sistem Unit Antarabangsa.

Apakah yang dipasang di permukaan Bulan?

Ketika misi Apollo 11 pada tahun 1969, angkasawan memasang sebuah alat khas yang dikenali sebagai pemantul balik di permukaan Bulan. Pemantul balik ialah susunan komponen optik yang direka untuk mengembalikan cahaya hampir ke arah asal kedatangannya. Ia berbeza daripada cermin rata biasa, yang memantulkan cahaya mengikut sudut tuju dan sudut pantulan. Pemantul balik pula menggunakan susunan permukaan pemantul yang membolehkan cahaya dikembalikan hampir ke arah sumbernya bagi pelbagai sudut kedatangan.

Pemantul yang digunakan dalam eksperimen Apollo mengandungi komponen berbentuk penjuru kubus, dan komponen itu tidak memerlukan bekalan elektrik untuk memantulkan cahaya. Misi Apollo 14 dan Apollo 15 turut meninggalkan susunan pemantul di Bulan, manakala dua kenderaan robot Lunokhod dari Kesatuan Soviet juga membawa pemantul untuk tujuan pengukuran. Menurut National Institute of Standards and Technology (NIST), pemantul Apollo 11 dipasang pada 20 Julai 1969 dan berjaya digunakan untuk pengukuran laser dari Bumi pada 1 Ogos tahun yang sama.

Bagaimanakah pengukuran dilakukan?

Di Bumi, sebuah balai cerap menggunakan sistem laser untuk menghantar denyutan cahaya yang sangat singkat ke arah pemantul di Bulan. Denyutan itu bergerak merentasi ruang antara Bumi dengan Bulan, dan apabila sebahagian cahaya mengenai pemantul balik, sebahagiannya dikembalikan ke arah Bumi. Teleskop dan pengesan cahaya yang sensitif digunakan untuk mengesan isyarat yang kembali, lalu peralatan pemasaan menentukan selang masa antara penghantaran denyutan dengan penerimaan isyarat pantulan. Perjalanan pergi dan balik ini mengambil masa kira-kira 2.5 saat, bergantung pada jarak sebenar ketika pengukuran dibuat.

Hanya sebahagian yang amat kecil daripada cahaya yang dihantar berjaya kembali dan dikesan, kerana pancaran laser tersebar semasa merambat dan pemantul mempunyai saiz yang terhad. Oleh itu, pengukuran memerlukan peralatan yang sensitif dan kaedah pemprosesan isyarat yang teliti. NASA menerangkan bahawa pengukuran jarak Bulan menggunakan laser melibatkan penghantaran cahaya, pengesanan pantulan yang sangat lemah dan pengukuran masa perjalanan pergi dan balik.

Mengapakah masa perjalanan perlu dibahagi dua?

Cahaya melalui dua bahagian perjalanan: dari Bumi ke Bulan, kemudian dari Bulan kembali ke Bumi. Oleh itu, masa yang direkodkan merangkumi perjalanan pergi dan balik, bukan perjalanan sehala sahaja. Dalam model ringkas, jarak sehala dikira menggunakan persamaan d = (c × t) / 2, dengan d ialah jarak sehala, c ialah kelajuan cahaya dan t ialah masa perjalanan pergi dan balik.

Sebagai contoh, andaikan denyutan laser mengambil masa 2.56 saat untuk pergi dan kembali. Dengan kelajuan cahaya yang dibundarkan kepada 300,000 kilometer sesaat, d = (300,000 × 2.56) / 2 = 384,000 kilometer. Pengiraan ini ialah contoh model ringkas, bukan laporan bacaan sebenar pada waktu tertentu, kerana ia mengandaikan kelajuan cahaya dalam ruang hampa dan mengabaikan perubahan kedudukan serta kelewatan lain sepanjang perjalanan. Bahan pendidikan NASA turut menggunakan masa perjalanan 2.56 saat untuk menunjukkan kaedah pengiraan jarak Bumi dan Bulan.

Mengapakah pengukuran sebenar lebih rumit?

Jarak antara Bumi dengan Bulan tidak sentiasa sama. Orbit Bulan berbentuk hampir elips, menyebabkan jaraknya daripada Bumi berubah sepanjang peredarannya. Bumi juga berputar pada paksinya, manakala Bulan terus bergerak ketika denyutan laser sedang merambat. Selain itu, cahaya melalui atmosfera Bumi sebelum memasuki ruang angkasa, dan kelajuan cahaya dalam udara sedikit berbeza daripada kelajuannya dalam ruang hampa, jadi keadaan atmosfera boleh menyebabkan kelewatan tambahan yang perlu diambil kira.

Saintis juga perlu mengetahui kedudukan stesen pemerhatian dan pemantul dengan tepat. Bagi pengukuran berketepatan tinggi, kesan pergerakan Bumi, orientasi Bulan, kelewatan atmosfera dan kesan relativiti turut dimasukkan dalam model pengiraan. Persamaan ringkas tadi menerangkan prinsip asas, tetapi bukan keseluruhan prosedur pengukuran profesional. Menurut International Laser Ranging Service, ketepatan pengukuran jarak Bulan telah bertambah baik daripada skala beberapa desimeter pada peringkat awal kepada skala sub-sentimeter, malah milimeter bagi pengukuran tertentu. Tahap ketepatan ini bergantung pada sistem pemerhatian dan pemprosesan data yang digunakan.

Apakah yang dapat diketahui selain jarak?

Pengukuran laser tidak hanya digunakan untuk menentukan jarak pada satu masa. Apabila pengukuran dilakukan berulang kali selama bertahun-tahun, saintis dapat mengkaji perubahan orbit Bulan. Data pengukuran menunjukkan bahawa purata jarak antara Bumi dengan Bulan meningkat sekitar 3.8 sentimeter setahun, satu perubahan jangka panjang yang berkaitan dengan interaksi graviti dan kesan pasang surut antara kedua-dua jasad. Pengukuran yang sama turut membantu penyelidikan tentang putaran Bulan, struktur dalamannya dan teori graviti.

Walau bagaimanapun, kadar 3.8 sentimeter setahun ialah anggaran perubahan jangka panjang, bukan bermaksud jarak Bulan meningkat dengan kadar tetap setiap saat. Perubahan jarak akibat orbit Bulan jauh lebih besar daripada pertambahan tahunan itu. NASA Jet Propulsion Laboratory menerangkan bahawa data pengukuran laser selama beberapa dekad menunjukkan Bulan semakin menjauhi Bumi pada kadar purata sekitar 3.8 sentimeter setahun.