Ακτίνες από πάλσαρ μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα μελλοντικά διαστημικά σκάφη για να πλοηγηθούν πλήρως αυτόνομα

Αν και είναι δυνατόν οι διαστημικές αποστολές να στέλνουν τα δεδομένα τους στη Γη, η διαδικασία δεν είναι καθόλου γρήγορη. Το Voyager 1, για παράδειγμα, χρειάζεται περίπου 19 ώρες για να στείλει ένα σήμα πίσω στη Γη, και αυτή η καθυστέρηση αυξάνεται καθώς το διαστημικό σκάφος απομακρύνεται. Για τις πραγματικά μακροπρόθεσμες αποστολές στο βαθύ διάστημα, ο σημαντικός χρόνος που χρειάζεται για να στείλουμε ένα σήμα δεν μπορεί εύκολα να  μειωθεί. Το διαστημικό σκάφος θα πρέπει να προσαρμόσει τη δική του τροχιά χωρίς να βασίζεται στην πλοήγηση από το έδαφος. Εκεί έρχονται να βοηθήσουν τα πάλσαρ.

Το NICER χρησιμοποιεί τα συγκροτήματα κατόπρων του για να συγκεντρώνει τις ακτίνες Χ και να εξετάζει το εσωτερικό των πάλσαρ

Πριν τρεις μήνες μια ομάδα μηχανικών της NASA έδειξε ότι είναι δυνατή η αυτόνομη διαστημική πλοήγηση μέσω της χρήσης ακτίνων Χ, μιας ανακάλυψης που θα μπορούσε να αναθεωρήσει την προσέγγισή μας στα ταξίδια στο βαθύ διάστημα. Το σύστημα καθοδήγησης ακτίνων Χ δοκιμάστηκε επιτυχώς κατά τη διάρκεια του πειράματος Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology (SEXTANT). Χρησιμοποιώντας πάλσαρ με περιοδικότητα χιλιοστών του δευτερολέπτου, το δοκιμαστικό σκάφος στηρίχθηκε σε ακτίνες Χ για να εντοπίσει τη θέση ενός διαστημικού αντικειμένου που κινείται με χιλιάδες μίλια την ώρα.

 

Παρόλο που το Global Positioning System (GPS) μπορεί να εντοπίσει αντικείμενα που βρίσκονται στη Γη ή σε τροχιά κοντά στη Γη, η πλοήγηση με GPS δεν αποτελεί επιλογή για διαστημόπλοια μεγάλων αποστάσεων, επειδή το δορυφορικό δίκτυο της σε τροχιά γύρω από τη Γη χάνει γρήγορα το σήμα όταν το σκάφος ταξιδεύει μακριά από Γη. Προκειμένου να παρακολουθήσουν αυτόνομα τα διαστημικά οχήματα, οι ερευνητές χρειάστηκαν να βρουν ένα ισχυρό σήμα ικανό να διαδοθεί πολλά έτη φωτός μακριά. Για το λόγο αυτό, οι ερευνητές στράφηκαν στα πάλσαρ – τους ταχύτατους περιστρεφόμενους πυρήνες άστρων νετρονίων – επειδή είναι διαθέσιμοι σχεδόν παντού (ειδικά στο βαθύ διάστημα) και εκπέμπουν ισχυρά σήματα ακτίνων Χ.

Για να δοκιμάσουν την ακρίβεια και την ευκολία της πλοήγησης με ακτίνες Χ στο διάστημα, το πείραμα SEXTANT, που χρηματοδοτήθηκε από τη Διεύθυνση Αποστολών Διαστημικής Τεχνολογίας της NASA, συνεργάστηκε με το Neutron-star Interior Composition Explorer (NICER) της NASA, που βρίσκεται πάνω στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό ISS).

«Με τη βοήθεια του διαστημικού σταθμού ως πλατφόρμα θα εκτελέσουμε αυτό το επιστημονικό πείραμα, που με τη σειρά του επιτρέπει την πλοήγηση με ακτίνες Χ», δήλωσε ο κύριος ερευνητής του NICER, Keith Gendreau του Goddard. «Η τεχνολογία θα βοηθήσει την ανθρωπότητα να πλοηγηθεί και να εξερευνήσει τον Γαλαξία».
  
Το NICER έχει μελετήσει διάφορες πτυχές των αστέρων νετρονίων στο ISS από τον Ιούνιο του 2017 και σήμερα χρησιμοποιεί τα 52 τηλεσκόπια ακτίνων Χ καθώς και τους ανιχνευτές πυριτίου για να μελετήσει την ακτινοβολία που εκπέμπουν τα πάλσαρ στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Η ακτινοβολία των πάλσαρ έρχεται σε μας ως μια στενή δέσμη φωτός που αναβοσβήνουν όταν περνούν κοντά μας, παρόμοια με τις λάμψεις φωτός που εκπέμπεται από ένα φάρο. Οι παλμοί τους είναι επίσης προβλέψιμοι στη φύση, επιτρέποντάς τους να χρησιμεύσουν ως εξαιρετικά σχολαστικοί παράγοντες χρονισμού, συγκρίσιμοι με τα σήματα ατομικού ρολογιού GPS. Στην πραγματικότητα, είναι τόσο προβλέψιμες ώστε οι χρόνοι άφιξης για παλμούς ενός χιλιοστού του δευτερολέπτου μπορούν να προβλεφθούν χρόνια στο μέλλον, με χρονικές ακρίβειες στα μικροδευτερόλεπτα.

Κατά τη διάρκεια του πειράματος SEXTANT, οι ερευνητές επέλεξαν τέσσερις χιλιοστά του δευτερολέπτου παλμούς και τοποθετούσαν το NICER έτσι ώστε να μπορούν να ανιχνεύσουν τις ακτίνες Χ μέσα στις στενές δέσμες φωτός των στόχων. Για να αποκτήσει δεδομένα χρονισμού, η NICER συγκέντρωσε 78 μετρήσεις σε διάστημα δύο ημερών. Αυτά τροφοδοτήθηκαν έπειτα στους επίγειους αλγορίθμους του SEXTANT, δημιουργώντας μια λύση πλοήγησης που αποκάλυψε την τροχιακή θέση του NICER. Στη συνέχεια η λύση συγκρίθηκε με τη θέση που προέρχεται από GPS που προέρχεται από το GPS.

Αν και το NICER ταξιδεύει στο ISS με ταχύτητα άνω των 17.500 μίλια ανά ώρα (28.164 χιλιόμετρα την ώρα) σε  σχέση με τη Γη, η μελέτη στοχεύει να εντοπίσει την τοποθεσία της NICER σε ακτίνα 10 χιλιομέτρων (16 χιλιομέτρων). Η ομάδα διανεμήθηκε δύο εβδομάδες για να εντοπίσει το σκάφος με τέτοια ακρίβεια, αλλά ήταν σε θέση να ανιχνεύσει τη θέση του μέσα στη δεδομένη ακτίνα μετά από μόλις οκτώ ώρες. Η ακρίβεια της τοποθεσίας βελτιώθηκε από εκεί προς τα έξω, με ένα σημαντικό τμήμα των δεδομένων από το υπόλοιπο του πειράματος να βρίσκεται σε απόσταση τριών μιλίων από την πραγματική θέση του σκάφους. Παρόλο που τα τρία μίλια ίσως δεν φαίνονται τόσο ακριβή, αρκεί για διαδρομές σε μεγάλες αποστάσεις λόγω της τεράστιας απόστασης μεταξύ αντικειμένων, τα οποία είναι συνήθως σε απόσταση εκατομμυρίων μιλίων.

Τώρα που οι ερευνητές έχουν αποδείξει ότι είναι δυνατή η πλοήγηση με ακτίνες Χ, η ομάδα θα αρχίσει να εργάζεται για την ενημέρωση και τη βελτίωση του λογισμικού, εν αναμονή ενός επιπλέον πειράματος αργότερα το 2018. Θα εργαστούν επίσης για τη μείωση του  μεγέθους των οργάνων, βελτιώνοντας την ευαισθησία. Ο στόχος είναι να καταστεί η τεχνολογία πλοήγησης ακτίνων Χ άμεσα διαθέσιμη για όλες τις αποστολές στο διάστημα, οι οποίες θα μπορούσαν να επωφεληθούν από την αυτόνομη πλοήγηση χωρίς επίγεια επικοινωνία.

«Αυτή η επιτυχημένη επίδειξη καθιερώνει σταθερά τη βιωσιμότητα της ναυσιπλοΐας pulsar ακτίνων Χ ως μια νέα αυτόνομη ικανότητα πλοήγησης. Έχουμε δείξει ότι μια ώριμη έκδοση αυτής της τεχνολογίας θα μπορούσε να ενισχύσει την εξερεύνηση στο βάθος οπουδήποτε μέσα στο ηλιακό σύστημα και πέρα», δήλωσε ο Mitchell. «Είναι μια φοβερή τεχνολογία πρώτα.»