Fremtidige rumrejsende kan følge kosmiske fyrtårne

I århundreder, fyrtårne ​​hjalp sejlere med at navigere sikkert ind i havnen. Deres lys fejede hen over vandet, skærer gennem tåge og mørke, guide søfolk rundt om farlige forhindringer og holde dem på rette vej. I fremtiden, rumforskere kan modtage lignende vejledning fra de konstante signaler skabt af pulsarer.

Forskere og ingeniører bruger den internationale rumstation til at udvikle pulsar-baseret navigation ved hjælp af disse kosmiske fyrtårne ​​til at hjælpe med wayfinding på ture til Månen under NASAs Artemis-program og på fremtidige menneskelige missioner til Mars.

Pulsarer, eller hurtigt roterende neutronstjerner, er de ekstremt tætte rester af stjerner, der eksploderede som supernovaer. De udsender røntgenfotoner i lys, smalle stråler, der fejer himlen som et fyrtårn, mens stjernerne snurrer. På lang afstand ser de ud til at pulsere, deraf navnet pulsarer.

Et røntgenteleskop på ydersiden af ​​rumstationen, Neutronstjernen Interior Composition Explorer eller NICER, opsamler og tidsstempler ankomsten af ​​røntgenlys fra neutronstjerner hen over himlen. Software indlejret i NICER, kaldet Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology eller SEXTANT, bruger beacons fra pulsarer til at skabe et GPS-lignende system. Dette koncept, ofte omtalt som XNAV, kunne give autonom navigation i hele solsystemet og videre.

"GPS bruger præcist synkroniserede signaler. Pulseringer fra nogle neutronstjerner er meget stabile, nogle endda så stabile som jordiske atomure på lang sigt, hvilket gør dem potentielt nyttige på lignende måde, " siger Luke Winternitz, en forsker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Stabiliteten af ​​pulserne tillader meget nøjagtige forudsigelser af deres ankomsttid til ethvert referencepunkt i solsystemet. Forskere har udviklet detaljerede modeller, der forudsiger præcis, hvornår en puls ville ankomme til, for eksempel, jordens centrum. Timer ankomsten af ​​pulsen til en detektor på et rumfartøj, og sammenligne det med, hvornår det forventes at ankomme til et referencepunkt, giver information til at navigere langt ud over vores planet.

"Navigationsinformation fra pulsarer nedbrydes ikke ved at bevæge sig væk fra Jorden, da pulsarer er fordelt over hele vores Mælkevejsgalakse, " siger SEXTANT-teammedlem Munther Hassouneh, navigationsteknolog.

"Det ændrer effektivt 'G'et' i GPS fra Global til Galactic, " tilføjer teammedlem Jason Mitchell, direktør for Advanced Communications and Navigation Technology Division i NASAs Space Communication and Navigation Program. "Det kunne fungere hvor som helst i solsystemet og endda bære robot- eller bemandede systemer ud over solsystemet."

Pulsarer kan også observeres i radiobåndet, men i modsætning til radiobølger, Røntgenstråler forsinkes ikke af stof i rummet. Derudover detektorer til røntgenstråler kan være mere kompakte og mindre end radioskåle.

Men fordi røntgenimpulser er meget svage, et system skal være robust nok til at indsamle et signal, der er tilstrækkeligt til at navigere. NICERs store indsamlingsområde gør den næsten ideel til XNAV-forskning. Et fremtidigt XNAV-system kunne gøres mindre, handelsstørrelse for længere afhentningstid.

"NICER er nogenlunde på størrelse med en vaskemaskine, men du kan dramatisk reducere dens størrelse og volumen, " siger Mitchell. "F.eks. det ville være interessant at passe et XNAV-teleskop ind i en lille satellit, der uafhængigt kunne navigere i asteroidebæltet og karakterisere primitive solsystemlegemer."

Som offentliggjort i et papir fra 2018, SEXTANT har allerede med succes demonstreret real-time pulsar-baseret navigation ombord på rumstationen. Den har også undersøgt brugen af ​​pulsarer til tidtagning og klokkesynkronisering og hjælper med at udvide kataloget over pulsarer til brug som referencepunkter for XNAV.

SEXTANT-teamet inkluderer også Samuel Price, Sean Semper og Wayne Yu hos Goddard; Naval Research Lab partnere Paul Ray og Kent Wood; og NICER hovedefterforsker Keith Gendreau og videnskabsleder Zaven Arzoumanian.

Holdet studerer nu XNAV autonom navigation på NASAs Gateway-platform som en teknik til at støtte bemandede missioner til Mars. Astronauter kan også potentielt bruge det til at supplere navigationsmulighederne ombord, hvis de skulle få brug for at komme tilbage til Jorden på egen hånd.

"Gateways kredsløb omkring Månen på cirka seks og en halv dag ville lade os stirre på pulsarer i meget længere tid, " siger Mitchell. "Det er her handelen kommer ind; instrumentet er som en spand, og du fylder den spand med nok røntgenfotoner til at generere en måling af, hvornår den puls ankom. Du kunne have en detektor en brøkdel af størrelsen af ​​NICER."

Denne slags eksperimenter kunne bringe kosmiske fyrtårne ​​til at guide rumfartøjer til deres destinationer endnu et skridt tættere på virkeligheden.