Los Cristales en la Luna (retrorreflectores para láseres)

 Un retrorreflector, es un diseño de espejo o cristales reflectantes que asegura que la luz entrante sea retornada en la dirección contraria a la que incide; de esa manera retorna a la fuente. La necesidad de utilizar láseres es porque la luz producida por un láser es monocromática y coherente; sus fotones viajan con la misma longitud de onda, en paralelo y en fase; y no experimentan dispersión (en cristiano: la luz es del mismo color, se genera por pulsos de frecuencia exacta y viaja como los militares al marchar –sin desorden-). Sin embargo, en la práctica hay que colimar –apuntar- muy bien el rayo, para reducir cualquier divergencia -desvío- producida por el sistema óptico … y por la producida por la atmósfera (que actúa como un vidrio opaco al paso de la luz laser) … hasta llegar a la superficie lunar viajando por el espacio casi vacío de materia, pero no de radiaciones y campos electromagnéticos que también influyen en la estabilidad del rayo. 

Estos experimentos se realizan, proyectando el láser a través de un telescopio astronómico; el telescopio también proporciona un mecanismo de guía y control para el camino del rayo. La habilidad para colimar un telescopio depende del tamaño de este; entre mayor sea su espejo –en caso de los reflectores newtoniano– menor será la divergencia que sufre los rayos de luz. Existe un límite práctico impuesto por la atmósfera, las turbulencias dispersan el rayo luego de dejar el telescopio – lo desenfocan –. A pesar de ello, bajo buenas condiciones y estabilidad atmosférica, el pulso del rayo láser emitido en la superficie de la tierra: puede iluminar –al menos– un círculo de 2Km de diámetro cuando alcanza la superficie lunar.

Como el experimento se realiza desde la superficie de la tierra hasta la superficie de la luna, se dice que es un experimento se realiza en coordenadas topocentricas; ya que el origen del sistema coordenado usado tiene centro en el observador (a diferencia de las coordenadas geocéntricas que tienen origen en el centro de la Tierra).

Los sistema más exitoso -en la década del 80- transmitían un pulso de \(10^{18}\) fotones, de los cuales solo uno regresa al telescopio unos 2,5 segundos luego; a más tardar. Debido a esto, el alcance del láser lunar depende de manera crítica de la tecnología de detección en tierra.

La baja eficiencia cuántica global del experimento depende de la detección de fotones individuales. Por ello se pone énfasis en la óptica de alta eficiencia y los fotomultiplicadores (detectores electrónicos de fotones). Los fotones perdidos y contaminantes de otras fuentes son filtrados tanto espacialmente (controlando el ancho exacto que debe tener rayo láser recibido por el telescopio; con diafragmas), como en su pureza; con filtros de color (para controlar su longitud de onda); se utilizan filtros pasa bandas tan pequeñas como 0,12 nm. A pesar de estas precauciones, solo alrededor del 10% de los fotones detectados son señales o data verdadera. Una observación exitosa consiste en la detección de un grupo de tales fotones portadores de señal, que se pueden discriminar del ruido mediante técnicas estadísticas con una certeza superior al 99%.

El aspecto crítico del alcance del láser lunar es que la precisión depende de la brevedad del pulso, mientras que el nivel de la señal depende de la potencia promedio (número de fotones por unidad de tiempo). No se puede aumentar la energía o disminuir la longitud del pulso a voluntad, porque existen límites en la densidad de energía que el cristal láser puede soportar sin experimentar algún daño material. Por lo tanto, estos deben ser una combinación cuidadosa entre el tamaño del telescopio, la duración del pulso y la producción de energía.

A pesar de todo lo anterior, las mejoras en la tecnología láser desde la época de 1969, cuando comenzaron las operaciones de alcance del láser con los retrorreflectores dejados en la superficie lunar –Mar de la Tranquilidad– por la tripulación del módulo lunar del Apolo 11, son tales que, con sistemas terrestres de menores diámetros, actualmente se obtienen resultados superiores y de mejor calidad –para una señal promedio – que con los equipos de 272 cm que se usaron cuando el proyecto Apolo. Allí influyen las nuevas técnicas constructivas, nuevos materiales, algoritmos estadísticos mejorados, mayor participación de la electrónica y la computación para obtener un control más fino y precisó de todo el sistema en tierra; los sistemas en la Luna siguen siendo simples retrorreflectores bien construidos con cristales de alta calidad (cada uno de ellos está hecho de 100 espejos que los científicos llaman “cubos de esquina”, ya que son esquinas de un cristal cúbico).

Este cúmulo de dificultades, para obtener unos ínfimos de fotones del haz laser emitido, es un buen ejemplo del proceso científico experimental, y una plena demostración de la curiosidad humana en descubrir los secretos del entorno que le rodea. Como contraparte, con esas medidas científicas, podemos comprender un sin número de procesos estelares en nuestra vecindad; e incluso: esos pocos datos son y serán una alerta temprana de los procesos planetarios que nos afectan o pudieran incidir en la continuidad de la especie humana sobre la faz de la Tierra … o de la Luna.

Por: Rommel Contreras / rommeljose@gmail.com