Космические аппараты смогут автономно перемещаться по Солнечной системе с помощью пульсаров.
Если вы хотите знать, где вы находитесь в космосе, вам лучше взять с собой карту. Но это немного сложнее, чем ездить на дробовике в семейном путешествии.
Навигация космического корабля за пределами околоземной орбиты обычно осуществляется центром управления полетом. Ряд массивов радиосвязи по всей планете, известный как сеть дальнего космоса, позволяет операторам связываться с космическими зондами и обновлять свой навигационный статус. Система работает, но могло быть и лучше. Что, если бы космический корабль мог автономно определять свое местоположение без необходимости звонить домой? Это была давняя мечта аэрокосмических инженеров, и она близка к осуществлению.
Пульсары — это ключ к путешествиям
Пульсары — это вращающиеся нейтронные звезды — сверхплотные ядра взорвавшихся сверхгигантских звезд, которые испускают струи электромагнитного излучения со своих полюсов. Они действуют как межзвездные маяки, которые многократно омывают Землю радиосигналами в надежном ритме. Первый пульсар был обнаружен Джоселин Белл в 1967 году и получил прозвище LGM-1 (Маленькие зеленые человечки 1), потому что до тех пор, пока не был открыт второй, нельзя было исключить внеземной разум как причину появления пульсара. Теперь мы знаем о тысячах и уверены, что это природные явления.
Поскольку лучи пульсаров настолько предсказуемы, их можно использовать для своего рода триангуляции, при которой космический аппарат, получающий перекрывающиеся сигналы пульсара, должен быть в состоянии определить свое положение в космосе с точностью до 5–10 километров.
Теоретическая основа этого метода прочна. Настолько, что золотые пластинки (капсулы времени Земли и человеческой культуры ), которые были прикреплены к бокам космических кораблей «Вояджер» и «Пионер» в 1970-х годах, графически указывали положение нашего Солнца относительно 14 пульсаров, на случай, если какие-либо LGM наткнутся космический корабль и хотят посетить нас здесь, на Земле. Мы дали им указания.
Но если пульсары — такая эффективная форма навигации, почему они до сих пор не используются? В конце концов, исследования в этой области продолжаются с 1970-х годов, когда Лаборатория реактивного движения впервые начала изучать эту перспективу.
Во всех космических миссиях одним из основных соображений является вес. Запускать вещи в космос дорого, поэтому каждый килограмм на каждом транспортном средстве должен быть на счету. Любая работоспособная навигационная система пульсара должна быть очень маленькой и очень легкой, иначе важные научные инструменты или топливо для движения, возможно, придется уменьшить, чтобы компенсировать это. Это серьезное препятствие для разработки жизнеспособной навигационной системы пульсара. Пульсары обычно представляют собой невероятно слабые точечные источники, что затрудняет их обнаружение без мощного (тяжелого) оборудования, особенно на радиочастотах.
К счастью, есть решение, которое может сделать это возможным, а именно использование рентгеновского телескопа. Они могут быть меньше и легче, и все же могут улавливать сигналы пульсаров так же хорошо, как радиоантенны.
В последние годы астрономы работали над улучшением методов, с помощью которых космический корабль обрабатывает сигналы пульсаров, повышая эффективность системы и уменьшая пределы погрешности. Оборудование было протестировано даже на Международной космической станции, где эксперимент NICER/SEXTANT размером со стиральную машину успешно отслеживал местоположение станции с помощью пульсаров с 2018 года.
Сейчас команды работают над созданием еще более компактного оборудования для полетов в дальний космос. В препринте, опубликованном на arXiv в прошлом месяце, описывается прототип навигационного устройства под названием PODIUM, который будет весить всего 6 кг, потреблять 20 Вт энергии и помещаться в коробку размером 15 см на 24 см на 60 см. Первые результаты обнадеживают. PODIUM должен быть в состоянии определить положение космического корабля в пределах 10 км, используя рентгеновские сигналы из каталога пульсаров.
Вскоре эти прототипы могут стать реальными, направляя космические зонды следующего поколения к месту назначения. Они, вероятно, также будут управлять космическими кораблями , предназначенными для людей , поскольку ожидается, что будущая космическая станция НАСА Lunar Gateway будет оснащена навигационной системой пульсара. Мы находимся на пороге автономной навигации в дальнем космосе: как GPS, но для галактики.
