SISTEM LLR (Lunar Laser Ranging) 1. KARAKTERISTIK UMUM Sistem LLR mulai berkembang sejak tahun 1969, sejak ditempatkannya reflektor laser di permukaan bulan oleh misi Apollo 11. Pada sistem LLR dilakukan pengukuran jarak ke bulan dengan bantuan laser. Pengukuran jarak ke bulan dilakukan dengan memanfaatkan retro-reflektor yang ditempatkan pada permukaan bulan dalam misi Apollo dan Luna ke bulan.

2. PARAMETER YANG DIKETAHUI Pengaplikasian LLR dalam berbagai bidang aplikasi geodesi, antara lain: Penentuan posisi absolut titik secara teliti, baik untuk realisasi kerangka referensi koordinat maupun studi geodinamika Penentuan parameter orientasi bumi Penentuan konstanta gravitasi (GM) bumi dan bulan Penentuan orbit bulan serta variasi rotasinya Studi medan gaya berat bulan Studi interaksi dinamika bumi dan bulan Penentuan parameter relativitas 3. BESARAN YANG DIUKUR Pada prinsipnya stasiun-stasiun pengamat LLR mendapatkan kerangka referensi di bumi, dan retro reflektor laser menetapkan kerangka referensi di bulan. Dari data ukuran jarak yang telah dianalisa dapat ditentukanlah parameter parameter rotasi bumi, dinamika sistem bumi-bulan, serta parameter relativitas.

Dari analisa sekitar 15 tahun data LLR telah ditentukan nilai koefisien gravitasi geosentrik GM GM = (398600,443 0,006) km3/sec2 Dari sekitar 12 tahun data LLR juga telah ditentukan nilai koefisien gravitasi untuk bulan GMm GMm = (4902,7993 0,0029 ) km3/sec2 Pencapaian yang penting dalam aplikasi teknologi LLR selama beberapa periode: - Sistem referensi Seleocentric ditentukan (1970-1974) - Pengukuran pertama dari percepatan (tidal) bulan (1975-1979) - Momentum sudut atmosfer global dikorelasikan dengan LOD yang ditentukan oleh LLR (1980 1984) - Dinamika titik semi dan kemiringan (obliquity) ekliptika ditentukan dengan lebih baik (1980-1984) - Presisi geodetik sesuai dengan relativitas pada tingkat 2 % (1985-1989) - Penentuan ephemeris bulan berketelitian 3 cm (1990-1994) - LLR menentukan konstrain untuk laju perubahan dari konstanta gravitasi G (1995 sekarang)

APLIKASI LLR DALAM ILMU KEBUMIAN Abstrak Teknologi masa kini dan masa depan telah menjanjikan dapat membantu eksplorasi Bulan dan bahkan Mars serta memajukan penelitian fundamental fisika dalam hal solar system. Teknologiteknologi dan kemungkinan kemajuan dalam tes laser dari berbagai fenomena fisika telah dipertimbangkan seiring dengan arsitektur angkasa yang dapat membantu langkah

pengeksplorasian manusia dan mesin pada solar system. Contoh khususnya, penentuan jarak akurat antara Bulan dan Mars tidak hanya akan memimpin konstruksi baru akan infrasuktur komunikasi angkasa sebagai navigasi canggih yang akurat, tetapi juga menyediakan peningkatan signifikan dalam beberapa penelitian tentang teori gravitasi: prinsip equivalensi, presesi geodetik, PPN parameter dan , dan kemungkinan variasi konstanta gravitasi G. Tes lainnya akan bisa dipastikan dengan arsitektur optik yang mengizinkan proses dkeakuratan dari meter ke sentimeter hingga millimeter atas jarak antarplanet. Selain itu terdapat pula peningkatan dalam studi grativitas relatif dengan Lunar Laser Ranging, sebuah metode pengukuran jarak dengan menggunakan pulsa cahaya, yang akan dibahas dalam makalah ini. LLR bahkan dipertimbangkan dapat melakukan tes gravitasi Mars, dalam

hubungannya dengan misi desain optik LATOR (Laser Astronometric Test of Relativity).

Sejarah LLR Lunar Laser Ranging, atau yang biasa disingkat menjadi LLR ini, pada dasarnya adalah teknik pengukuran perjalanan pulsa cahaya antara transmitter yang ada di Bumi dengan reflektor yang dipasang di Bulan. Neil Armstrong meletakkan reflektor pertama di Sea of Tracquiillity pada Juli 1969 dan beberapa minggu kemudian McDonald Observatory berhasil mendeteksi foton-foton yang dipantulkan dari pulsa sinar yang dikirim ke Bulan. Setelah itu, lebih banyak reflektor dipasang di Bulan, yakni oleh misi Apollo Amerika: Apollo 14 dan Apollo 15 pada tahun 1971, serta misi Soviet: Luna 17 tahun 1970 dan Luna 21 tahun 1973, yang menggunakan reflektor buatan Perancis, Lunakhod 1 dan 2. Semuanya kecuali Lunakhod 1, bekerja dengan baik sampai sekarang ini. Untuk lebih lengkapnya, pengamatan dengan LLR untuk pertama kalinya terhadap retroreflektor Apollo 11 (dipasang tahun 1969) adalah dengan menggunakan teleskop 3.1 meter di Lick Observatory, namun ternyata sistem pengukuran pada Lick didesain eksklusif hanya untuk menerima dan menginformasi secara singkat ketimbang menjadi program yang lebih lengkap.

Sejak tahun 1970 hanya ada sedikit stasiun observatori LLR di dunia. Yang paling terkenal karena terus melakukan pengamatan secara terus-menerus adalah McDonald Observatory yang berlokasi dekat dengan Fort Davis, Texas (USA). Observatori ini berdedikasi penuh pada lunar ranging dan terus bekerja rutin selama lebih dari 15 tahun, yang kemudian bertransisi menjadi McDonald Laser Ranging Station pada dua tempat (Saddle dan Mt. Fowlkes): MLRS1 (19831988) dan MLRS2 (mulai 1988). Pada tahun 1980an juga muncul stasiun-stasiun lain yang melaksanakan LLR. Mereka adalah Haleakala Observatory di Maui, Hawaii (USA) yang memproduksi data berkualitas tinggi beberapa tahun sekitar 1990, dan CERGA (Centre dEtudes et de Recherche en Geodynamique et Astronomie) pada OCA (Observatoire de Cote dAzur) yang terletak di Plateu de Calern dekat dengan Grasse, Perancis.

Prinsip Kerja LLR Prinsip kerja Lunar Laser Rangin adalah pengukuran durasi perjalanan sinar yang ditembakkan dari Bumi ke reflektor yang menjadi target di Bulan, dan menerimanya kembali untuk dianalisa. Mungkin konsepnya sangat mudah, tetapi pada kenyataannya secara teknis hal ini adalah sangat sulit. Awalnya, hasil observasi yang didapat bergantung pada kualitas pengukuran waktu. Rata-rata durasi perjalanan cahaya yang biasa didapat ialah sekitar 2.5 detik, dengan rata-rata jarak Bumi ke Bulan sebesar 385000 km. Jika diinginkan ketelitian 1 cm untuk jarak antara transmitter dan reflektor, dibutuhkan keakuratan order 0.1 nanosekon (10-10 sekon) dalam pengukuran setiap durasi perjalanan cahaya. Pengukuran waktu yang dilakukan berdasarkan pada frekuensi sinyal yang sangat stabil yang dihasilkan oleh jam atom caesium yang ketelitian frekuensinya lebih baik. Namun terdapat beberapa factor yang mempengaruhi kebenaran pengukuran. Atmosfir bumi membawa perbedaan waktu yang cukup sulit diestimasi, kemungkinan antara 50 sampai 100 pikosekon, tergantung temperatur saat itu, tekanan, dan kelembapannya. Librasi Bulan, untuk kasus yang paling buruk, dapat membuat osilasi yang menyebabkan distribusi penyebaran takteratur yang tidak terbias pada jarak beberapa sentimeter (sekitar 200 pikosekon perjalanan waktu). Pada stasiun Perancis tempat CERGA beroperasi, telah dilakukan tes beberapa pendekatan. Untuk meningkatkan kesempatan menangkap pantulan photon yang benar digunakan beberapa jenis alat filter yang berfungsi menyingkirkan noise photon seoptimal mungkin. Tetapi tetap saja ada sumber masalah yang lainnya. Sinar yang ditembakkan LLR memiliki divergensi 3 sampai 4 setelah melewati atmosfir Bumi sehingga ukuran sinar pada Bulan adalah berdiameter sekitar 7 km, yang artinya adalah hanya satu photon dari 109 yang ada yang sampai ke reflektor. Selain itu, pantulan yang dihasilkan memiliki sudut divergensi signifikan (12) yang disebabkan oleh difraksi pupil reflektor sehingga diameternya kembali ke bumi hampir mencapai 25 km. Dan dengan menggunakan teleskop 1 meter, hanya satu fraksi 10-9 yang bisa diterima. Selain itu ukuran jarak juga akan dipengaruhi oleh pasang surut, aberasi, efek relativitas, dan pergerakan lempeng.

Tentang MLRS Penempatan target pada bagian yang sesuai di permukaan bulan hanyalah salah satu bagian dari keseluruhan rencana untuk menjalankan LLR. Untuk mencapai tujuan melengkapi eksperimen, harus didirikan stasiun pengamatan pada permukaan Bumi. Stasiun-stasiun tersebut selain memerlukan teleskop optik yang sanggup mengirim sinar dan mengumpulkan photon-photon yang terpantul, juga memerlukan laser yang kuat, sistem pemantau waktu yang teliti, dan komputer super-cepat. Kesemuanya ini harus dikoordinasikan dalam unit yang berfungsi baik dan dikelola oleh staff personel yang ahli. Dan karena saat program NASA Apollo itu tidak ada waktu maupun dana yang tersedia untuk konstruksi yang sedemikian rupa, dibuthkanlah akses sejumlah observatori optik yang telah lebih dulu didirikan untuk melihat apakah paling tidak rencana ini bisa dilakukan pada stasiun yang sudah ada. Stasiun yang ada tersebut sebenarnya dirancang untuk sebuah fasilitas di atas puncak Mt. Haleakala pada Pulau Maui di kepulauan Hawaii. Dan ternyata, pelaksanaan pemasangan alat yang sesuai dan pengadaan modifikasi di sana untuk membawa segalanya bisa beroperasi dengan baik adalah mustahil bisa bersamaan dengan mendaratnya Apollo 11 pada musim panas 1969. Pada saat itulah Harlan J. Smit, direktur McDonald Observatory yang terletak di bagian barat Texas, dekat dengan Fort Davis, didatangi oleh tim LURE (Lunar Ranging Experiment). Teleskop pemantul McDonal sebesar 2.7 meter yang dibiayai NASA untuk keperluan program pengamatan planet, kebetulan sedang berfungsi operasional sehingga komitmen untuk aktivitas LLR jangka panjang adalah pilihan yang terbaik. Pada Maret 1969, C.O Alley dan D.G Currie dari University of Maryland bertemu dengan R.G Tull, staff McDonald Observatory, untuk mencari tahu apakah proyek LLR dapat dijalankan oleh McDonald. Hasilnya bisa dilihat sekarang bahwa eksperimen tersebut adalah sukses. McDonald Observatory telah menjadi LLR stasiun superior pada tahun 1970 dan awal 1980an. Sistem laser dengan Korad ruby 2.7 meter secara rutin memproduksi data LLR dengan ketelitian antara 10 sampai 15 cm. Setelah nyaris 16 tahun LLR beroperasi di McDonald Observatory, sistem laser ranging 2.7 meter tersebut kemudian digantikan dengan sistem 0.76 m, yang sanggup mengukur satelit artifisial sama seperti pada Bulan. MLRS kemudian didirikan untuk memenuhi beberapa objektif berikut: 1. Mendukung observasi LLR pada McDonald Observatory, dengan menggunakan pengalaman lebih dari satu setengah dekade tanpa harus membutuhkan akses ke teleskop 2.7 meter yang sebelumnya

2. Mengambil keuntungan dari 15 tahun progress dalam hal laser, penentuan waktu, elektronik, dan teknologi komputer untuk membuat stasiun yang jauh lebih baik lagi 3. Mengurangi biaya aktivitas LLR McDonald dengan sistem yang lebih otomatis 4. Bekerja sama dengan stasiun satelit laser ranging artifisial yang terletak di baratdaya U.S 5. Menyediakan pengamatan lunar dan satelit artifisial yang dekat dengan jaringan node National Geodetic Survey/International Radio Interferometric Surveying NGS/IRIS, yang memberikan perbandingan efisien antara teknik laser dan radio-interferometri Stasiun baru MLRS ini (dilengkapi laser neodymium-YAG frekuensi dobel) sampai sekarang

memberikan data LLR mendekati 1 sentimeter sebagai normal akuratnya. Awalnya stasiun ini dibangun di antara Mt. Locke dan Mt. Fowlkes dan pembukaan observasi lunarnya dibuka pada musim panas 1983. Namun, ternyata lokasi itu memiliki banyak masalah atmosfir dan kestabilan pendukung konkrit teleskop, sehingga MLRS pun dipindahkan ke Mt. Fowlkes pada Februari 1988 hingga sekarang.

Kontribusi LLR LLR digunakan untuk mengukur jarak antara Bumi dan Bulan dengan keakuratan tinggi. Selama bertahun-tahun, LLR telah memberikan keuntungan untuk sejumlah peningkatan pada teknologi pengamatan dan pemodelan data. Saat ini LLR adalah teknik paling primer untuk mempelajari dinamika sistem Bumi-Bulan. Fakta kecil menyebutkan bahwa dari hasil pengamatan, didapatkan data bahwa jarak bumi ke bulan semakin bertambah 1 inci setiap tahunnya. Atau dengan kata lain, meskipun sangat pelan bulan bergerak menjauhi bumi sekitar 3,8 cm setiap tahunnya. LLR juga terutama penting dalam hal studi gravitasi fisika pada Bulan. LLR digunakan untuk menampilkan pengujian berketelitian tinggi pada prinsip equivalensi, untuk mencari variasi waktu dalam konstanta gravitasi, dan untuk menguji perkiraan berbagai teori gravitasi alternatif yang ada. Dalam bidang geodesi, LLR berkontribusi untuk menentukan parameter orientasi Bumi, contohnya nutasi, presisi (termasuk presisi relatif), pergerakan kutub, dan UT1 terutama efek variasi jangka panjangnya. LLR berkontribusi kepada kerangka referensi terrestrial sekaligus selenosentrik. Realisasi dinamika kerangka referensi inersia, yang kontras dengan realisasi kerangka VLBI secara kinematik, menawarkan kemungkinan baru untuk konfirmasi dan penemuan yang saling menguntungkan. Terakhir, LLR juga bisa digunakan untuk menginvestigasi proses yang berhubungan dengan dinamika bagian dalam Bulan (interior Bulan). Data-data LLR yang telah dikumpulkan sejak 1970 telah memberikan kita kontribusi yang signifikan pada banyak bidang sains. Berikut adalah detailnya: 1. Gravitasi fisika Dalam hal ini melibatkan yaitu verifikasi prinsip equivalensi, penentuan parameter PPN dan , dan presesi geodetik. Hubungan korelasinya, tingkat perubahan G (konstanta gravitasi) dan solar J juga diperoleh. Sejak 1996, dibandingkan dengan penentuanpenentuan sebelumnya, ketidakpastian parameter gravitasi fisika juga telah berkurang 2 kali lipat atau lebih. Ini disebabkan karena data jarak yang telah meningkat akurasinya, solusi-solusi tambahan yang ada (pergerakan lempeng Bumi dan solid-body tides pada Bulan), penentuan parameter orientasi Bumi yang lebih baik, dan pemodelan disipasi energy pada Bulan. 2. Sistem referensi Kerangka referensi selestial Realisasi dinamik dari ICRS (International Celestial Reference System) dengan orbit bulan diperoleh dari data LLR ( = 0.001). Ini bisa dibandingkan dan dianalisa terhadap

kinematika ICRS dari VLBI, sebab stabilitas jangka panjang orbit Bulan adalah suatu keuntungan besar untuk penelitian. Kerangka referensi terrestris Hasil dari koordinat dan ketinggian stasiun, yang diestimasi terus-menerus menggunakan solusi standar, dapat digunakan untuk realisasi kerangka referensi terrestris internasional, contohnya misalnya ITRF2000. 3. Geodinamika Metode LLR juga adalah pemberi masukan utama pada berbagai peningkatan parameter sistem Bumi dan Bulan. Lebih spesifiknya ialah pada penentuan massa Bulan dan koefisien potensi Bumi ketika dikombinasikan dengan metode SLR. Dengan VLBI juga memberikan pengetahuan yang lebih baik tentang konstanta presisi dan nutasi jangka panjang. Kesuksesan lainnya ialah evaluasi disipasi pasang surut Bumi yang berhubungan dengan pengaruh Bulan. 4. Rotasi Bumi LLR berkontribusi dalam hal penentuan parameter nutasi jangka panjang, di mana orbit stabil yang akurat dan sedikit tekanan udara non-konservatif dari radiasi solar adalah tepat. Sebagai tambahan nilai UT0 dan VOL juga dihitung, sehingga menstabilkan gabungan seri EOP terutama tahun 1970an ketika hanya sedikit data yang ada dari teknik geodesi satelit saat itu. 5. Relativitas Dengan pengukuran LLR yang semakin berkembang dan pemodelannya, teori Einstein tentang relativitas dapat diuji kebenarannya. 6. Dinamika Bumi-Bulan Massa sistem Bumi-Bulan, percepatan pasang yang berhubungan dengan Bulan, kemungkinan variasi geosentrik, dan berbagai proses yang berhubungan lainnya dapat diinvestigasi dengan detail melalui LLR. 7. Skala waktu Orbit Bulan juga dapat dipertimbangkan sebagai jam stabil jangka panjang sehingga LLR dapat digunakan sebagai realisasi independen akan skala waktu, yang kemudian bisa dibandingkan atau dikombinasikan dengan penentuan lainnya.

Kesimpulan LLR telah menjadi teknik untuk mengukur berbagai variasi parameter gravitasi relatif dengan presisi yang sangat tinggi. Penelitian sensitif akan hal tersebut telah diselenggarakan untuk mengestimasi order dari magnitude efek relativitas untuk jarak ke Bulan dan kapabilitas potensial untuk penentuan yang lebih baik akan relativitas lainnya. Analisis lainnya menunjukkan bahwa frekuensi tipikal yang berhubungan dengan tiap efek korelasi parameter adalah terpisah, tak ada penyalahan dalam relativitas umum selama proses analisis berlangsung. Prinsip equivalensi telah diuji, dan variasi waktu pada G dan efek kerangka pilihan juga diperoleh. LLR berlanjut sebagai program yang aktif dan akan tetap menjadi alat yang paling penting untuk menguji teori relativitas umum Einstein tentang gravitasi apabila strategi observasi yang cocok diadopsi dan jika dasar model LLR kemudian dapat diperluas dan ditingkatkan sampai ketelitian yang paling tinggi. Sains yang berhubungan dengan Bulan, fundamental fisika, pengendalian jaringan untuk mapping permukaan, dan navigasi adalah kelebihan yang bisa diambil. Demonstrasi akan pengukuran yang lebih baik dapat dipersiapkan untuk mengukur ke Mars dan tubuh sistem solar lainnya.

Sumber Referensi

http://arxiv.org/PS_cache/gr-qc/pdf/0509/0509114v1.pdf http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/39613/1/04-3827.pdf http://www.csr.utexas.edu/mlrs/ http://www.csr.utexas.edu/mlrs/history.html http://www.iers.org/documents/publications/tn/tn34/tn34_097.pdf