Sheldon Cooper e il laser sulla Luna

Nell’episodio 23 della terza stagione di  The Big Bang Theory c’è un divertente sketch in cui i quattro giovani scienziati protagonisti della sit-com eseguono un esperimento. Dopo aver posizionato una particolare attrezzatura sul tetto del loro palazzo, sparano raggi laser contro una superficie riflettente lasciata sulla Luna nel 1969 dagli astronauti dell’Apollo 11. Dopo essere rimbalzati sull’oggetto riflettente, i raggi ritornano sulla Terra e vengono catturati da una parabola che produce un segnale su un PC, completando l’intera procedura in 2,5 secondi.

Con questo semplice esperimento riescono così a dimostrare che sulla Luna sono presenti oggetti lasciati dall’uomo dopo l’allunaggio e che, quindi, lo sbarco dell’Apollo 11 è effettivamente avvenuto. Al di là della finzione scenica e dei limiti tecnici che nella realtà renderebbero quantomeno improbabile la riuscita di un tale esperimento dal tetto di un edificio in  città, il fatto in sé non nasce interamente dalla fantasia degli autori. Durante le missioni Apollo che si sono succedute tra il 1969 ed il 1972 sono effettivamente stati lasciati cinque pannelli retroriflettori sulla superficie del nostro satellite.

Una delle superfici riflettenti lasciate sulla Luna dalle missioni Apollo (fonte)

Sono lastre quadrate di circa mezzo metro di lato, su cui sono fissati degli specchietti di quarzo in grado di riflettere la luce in modo molto efficiente. Per poter colpire un oggetto così piccolo sulla superficie lunare, l’unico strumento disponibile è il laser, i cui primi prototipi, tra l’altro, furono costruiti solo pochi anni prima dello sbarco.

L’esperimento è abbastanza semplice concettualmente, anche se meno banale nella pratica. Avendo a disposizione un laser di adeguata potenza e un telescopio per focalizzare l’obiettivo e captare il segnale di ritorno, chiunque sarebbe in grado di riprodurlo.

Schema dell’esperimento del laser lunare (fonte)

Poiché i fotoni emessi dal laser viaggiano alla velocità della luce, che è nota, misurando il tempo di ritorno del segnale è possibile calcolare la distanza del corpo celeste con estrema precisione. Il laser è un dispositivo che emette un raggio di luce uniforme grazie ad un sistema di amplificazione ottica. A differenza di una lampadina, che diffonde la luce in tutte le direzioni, il laser è una sorgente che emette fasci di luce paralleli. La radiazione luminosa è inoltre monocromatica e coerente, cioè di un solo colore e con onde che oscillano in maniera sincrona, cosa che permette anche di riconoscerle e distinguerle da segnali di altre sorgenti nel momento in cui ritornano sulla Terra.

La precisione del laser è tanto maggiore quanto minore è la distanza dal punto su cui va ad incidere. Nelle applicazioni terrestri, quindi, il laser può essere usato per lavorazioni millimetriche, dalle macchine che tagliano il metallo agli interventi chirurgici, come quello per la correzione della miopia. Per raggiungere la superficie della Luna, invece, il raggio del laser deve compiere un viaggio di circa 385.000 Km e farne altrettanti per ritornare.

Il segnale inviato non va dunque pensato come una palla da tennis che colpisce un muro e torna indietro, ma come un fascio che si allarga a cono e, quando arriva sulla Luna, colpisce una superficie di 6 Km di diametro. Solo i fotoni che colpiscono il riflettore possono tornare indietro comportandosi in maniera analoga, col fascio riflesso dal retroriflettore che illumina una superficie ampia della Terra. Anche in questo caso, solo i fotoni raccolti dal telescopio possono essere rilevati.

In sostanza, solo un fotone su cento milioni di miliardi di quelli emessi viene rilevato quando torna sulla Terra. Questo è anche uno dei motivi che rendono improbabile la riuscita dell’esperimento dei ragazzi di The Big Bang Theory, che utilizzano attrezzature di dimensioni troppo ridotte per riuscire nell’impresa. A questo va aggiunto il fatto di essere nel centro di una città: l’inquinamento, la troppa illuminazione e le condizioni atmosferiche renderebbero impossibile il viaggio del laser e la gestione dell’esperimento.

Nella realtà i raggi dei laser che vengono inviati nello spazio dai laboratori astronomici hanno ben altre potenze e sono in grado di produrre impulsi di diversi chilowatt (per fare un paragone, i puntatori laser come quelli tascabili hanno potenze di pochi milliwatt). Servono inoltre cieli molto bui, atmosfera serena e un telescopio di grosse dimensioni. Un esempio è mostrato nella prossima foto: queste apparecchiature, oltre che per i riflettori lunari, vengo utilizzate anche per individuare la posizione dei satelliti nelle varie regioni dello spazio.

 

Questo esperimento, noto come Lunar Laser Ranging (LLR) e le misurazioni eseguite con tale metodo nell’arco di 50 anni, hanno portato a una serie di scoperte molto importanti, ad esempio che la Luna si sta allontanando dalla Terra al ritmo di 3,8 cm l’anno, oltre a fornire informazioni sulla stabilità della forza di gravità, sull’accelerazione della Terra e della Luna attorno al Sole o sull’orbita del satellite.

È stato inoltre possibile calcolare che, probabilmente, la Luna ha un nucleo liquido di dimensioni pari al 20% del suo raggio. L’accuratezza delle misure è tale che è stato possibile datare con precisione tutte le eclissi lunari che si sono verificate negli ultimi 3.400 anni.

Di per sé, l’esistenza dei riflettori non è una prova definitiva relativamente allo sbarco dell’uomo sulla Luna, perché anche i Sovietici hanno posizionato dei riflettori sulla superficie del satellite, ma lo hanno fatto meccanicamente tramite due rover lunari automatici: il Lunochod 1 ed il Lunochod 2.

Le misurazioni hanno però evidenziato che la posizione del riflettore dell’Apollo 11 coincide con la posizione dello sbarco del 1969. La NASA non è la sola ad aver eseguito questo genere di misure, prove di questo tipo sono state fatte anche da altri osservatori astronomici, come l’Observatoire de Caussols nella Costa Azzurra o l’Osservatorio dello Yunnan in Cina, che hanno confermato l’esistenza dei riflettori e la loro posizione.

I risultati ottenuti dall’LLR sono tali e tanti che l’esperimento viene considerato uno dei più fruttuosi delle missioni Apollo. Il futuro programma di allunaggio Artemis prevede già di installare nuovi riflettori molto più efficienti, denominati Next Generation Lunar Retroreflectors (NGLR), per poter implementare questo tipo di misurazioni, anche perché l’efficienza degli attuali riflettori sta diminuendo.

Indipendentemente dalla fattibilità tecnica del test così come proposto nella sit-com, i ragazzi di The Big Bang Theory hanno comunque il merito di aver fatto conoscere l’esperimento alla vasta platea dei loro fan e, forse, di aver reso molte persone meno scettiche sulla realtà dello sbarco sulla Luna.