Pulsary pozwalają nawigować w kosmosie

Zespołowi inżynierów NASA udało się zademonstrować w pełni autonomiczną nawigację przy pomocy promieniowania rentgenowskiego pulsarów. Możliwość wykorzystania tych gwiazd do nawigowania w przestrzeni kosmicznej może zrewolucjonizować możliwości sterowania przyszłymi misjami kosmicznymi do rubieży Układu Słonecznego.

Demonstracja przeprowadzona w ubiegłym roku w ramach eksperymentu SEXTANT, pokazała, że milisekundowe pulsary mogą służyć do nawigacji w przestrzeni kosmicznej, bez konieczności używania do tego celu systemów optycznych i radiowych.

Szczegóły eksperymentu


Eksperyment SEXTANT został przeprowadzony przy użyciu teleskopu promieniowania rentgenowskiego NICER, który w ubiegłym roku trafił na Międzynarodową Stację Kosmiczną i został zainstalowany na specjalnej platformie na zewnątrz kompleksu.

NICER obserwuje gwiazdy neutronowe w widmie promieniowania rentgenowskiego, gdyż to z niego płynie najwięcej informacji o tych niesamowicie gęstych gwiazdach. Swoją gęstością ustępują one jedynie czarnym dziurom, a łyżka stołowa ich materii waży miliardy ton.

Niektóre z gwiazd neutronowych to pulsary - rotujące w niezwykłym tempie gwiazdy, których silne pola magnetyczne powodują bardzo regularną emisję światła. Wiązki tego światła wyglądają z naszej perspektywy jak błyski latarni morskiej i są bardzo regularne, a więc przewidywalne. Dzięki temu można je wykorzystać do pomiaru czasu wysokiej precyzji, w podobny sposób w jaki jest to osiągane w satelitach nawigacyjnych przy pomocy zegarów atomowych.

W ramach eksperymentu SEXTANT wybrano cztery pulsary milisekundowe (o okresie “błysku” światła rzędu milisekund). Detektor NICER przez dwa dni wykonywał pomiary dochodzącego światła z wybranych celów.

Milisekundowe pulsary cechują się stabilnością, która pozwala na przewidywanie ich kolejnych błysków przez lata naprzód. Dane z naziemnych obserwacji posłużyły do stworzenia modelu świecenia wybranych czterech gwiazd. Model ten został wykorzystany w algorytmie, w który został wyposażony specjalny moduł pracujący przy detektorze NICER. Na miejscu porównywał on odbierany czas świecenia z informacjami z modelu. Na tej podstawie program obliczał położenie detektora na orbicie.

Naukowcy chcieli, by ich urządzenie w ciągu dwóch tygodni eksperymentu osiągnęło dokładność lokalizacji 15 km. Demonstracja już po 8 godzinach zbiegła do wartości znacznie poniżej tego progu i dokładność przez większość czasu utrzymywała się poniżej 5 km.

Smartfony z modułami odbierającymi sygnał GPS są w stanie lokalizować użytkownika z dokładnością około 5 m, a wyspecjalizowane urządzenia, korzystając z sygnału GPS i dodatkowych systemów poprawiających lokalizację mogą zwiększyć dokładność do centymetrów. Taki poziom dokładności w podróżach kosmicznych, gdzie pokonywane odległości są znacznie większe nie jest jednak potrzebny. Ambicją zespołu jest jednak zwiększenie dokładności tego typu nawigacji do kilkudziesięciu metrów.

Najbliższe plany


Teraz w planach zespołu jest dalszy rozwój oprogramowania do drugiej serii eksperymentu, która zostanie przeprowadzona w tym roku. Głównym długofalowym celem projektu jest stworzenie odpowiednio zminiaturyzowanego, dokładnego i oszczędnego energetycznie urządzenia, w które mogłyby zostać wyposażone statki kosmiczne w przyszłych dalekich misjach (np. do księżyców Saturna lub Jowisza). Niewykluczone, że pulsarowa nawigacja znajdzie kiedyś zastosowanie w misjach z ludźmi na pokładzie.

Źródło: NASA

Więcej informacji:

Na zdjęciu: Detektor gwiazd neutronowych NICER. Na środku widać jedno z 52 luster w jakie wyposażone jest urządzenie. Każde z nich koncentruje promieniowanie rentgenowskie na silikonowym detektorze. Źródło: NASA's Goddard Space Flight Center/Keith Gendreau.