Веками маяки помогали морякам безопасно доплывать до гаваней. Их огни, пронзая мглу и туман, направляли корабли прочь от опасных зон и указывали им правильный путь. В будущем исследователи космоса смогут полагаться на такой же устойчивый сигнал, создаваемый пульсарами.
Ученые и инженеры используют Международную космическую станцию для разработки навигации на основе пульсаров. Эти космические маяки помогут проложить курс до Луны, по программе НАСА Artemis, и в будущем – для полета людей на Марс.
Пульсары, или быстро вращающиеся нейтронные звезды – это чрезвычайно плотные образования, возникшие в результате вспышки сверхновых звезд. Когда пульсары вращаются, они испускают яркие узкие рентгеновские лучи, пронизывающие космос подобно маяку. С большого расстояния они кажутся пульсирующими, поэтому их и назвали пульсарами.
Рентгеновский телескоп NICER («Исследователь внутреннего состава нейтронной звезды»), расположенный с внешней стороны космической станции, собирает рентгеновские лучи и отмечает время прихода рентгеновского сигнала от нейтронной звезды. SEXTANT («Станционный исследователь рентгеновского расписания и навигации») – программное обеспечение, встроенное в NICER, использует эти сигналы для создания GPS-подобной системы. Предполагается, что навигация, основанная на рентгеновских лучах пульсаров (XNAV), могла бы обеспечить автономную навигацию по всей Солнечной системе и за ее пределами.
«GPS использует точно синхронизированные сигналы. Пульсации от некоторых нейтронных звезд очень стабильны, а некоторые даже стабильны настолько же, насколько и земные атомные часы, что делает их потенциально полезными в аналогичном плане», – говорит Люк Винтерниц, исследователь из центра космических полетов им. Годдарда, НАСА, Гринбелт, штат Мэриленд.
Стабильность импульсов позволяет с высокой точностью прогнозировать время их прибытия в любую контрольную точку Солнечной системы. Ученые разработали подробные модели, которые точно предсказывают, когда импульс достигнет, например, центра Земли. Время поступления импульса к детектору на космическом корабле и сравнение его с ожидаемым поступлением в контрольной точке дает возможность для навигации далеко за пределами нашей планеты.
«Навигационная информация, предоставляемая пульсарами, не ухудшается при удалении от Земли, поскольку пульсары расположены во всей нашей галактике Млечный путь», – пояснил член команды SEXTANT Мунтер Хассунех, технолог по навигации.
«По сути, это превращает “G” в GPS из “глобальной” в “галактическую”, – добавляет Джейсон Митчелл, директор отдела передовых коммуникационных и навигационных технологий программы НАСА. – Навигация может работать где угодно в Солнечной системе и даже вести роботизированные или пилотируемые аппараты за пределы Солнечной системы».
Пульсары также можно наблюдать в радиодиапазоне, но, в отличие от радиоволн, рентгеновские лучи не задерживаются веществом в космосе. Кроме того, детекторы рентгеновских лучей могут быть компактнее, чем тарелки радиоприемника.
Поскольку рентгеновские импульсы очень слабы, система должна быть достаточно мощной, чтобы собирать сигнал, достаточный для навигации. Огромная база данных NICER`а делает его почти идеальным для исследований XNAV. Однако будущую систему XNAV можно сделать компактней для более длительного сбора данных.
«NICER размером примерно со стиральную машинку, но можно значительно уменьшить его размер и объем, – говорит Митчелл. – Например, было бы интересно установить телескоп XNAV на небольшой спутник, который мог бы независимо перемещаться по поясу астероидов и описывать первичные тела Солнечной системы».
Как рассказывается в статье 2018 года, SEXTANT уже успешно продемонстрировал навигацию на основе пульсаров в режиме реального времени на борту космической станции. Кроме того, было изучено использование пульсаров для хронометража и синхронизации часов, а также помощи в расширении каталога пульсаров для использования их в качестве опорных точек XNAV.
В команду SEXTANT также входят: Сэмюэл Прайс, Шон Семпер и Уэйн Ю из Годдарда; партнеры исследовательской лаборатории ВМС Пол Рэй и Кент Вуд; главный исследователь NICER Кит Гендро и научный руководитель Завен Арзуманян.
Сейчас команда изучает возможности автономной навигации XNAV на платформе NASA Gateway для технической поддержки пилотируемых миссий на Марс. Также астронавты могли бы использовать XNAV для увеличения ресурсов бортовой навигации, если им будет необходимо вернуться на Землю самостоятельно.
«Прохождение Gateway по лунной орбите составит примерно шесть с половиной дней, что позволило бы нам рассматривать пульсары гораздо дольше, – говорит Митчелл. – Обмен с пульсаром происходит так: этот прибор – как ведро, вы наполняете его достаточным количеством рентгеновских лучей, а потом измеряете, когда этот импульс поступил. Мы могли бы получить детектор гораздо меньше, чем NICER».
Новые эксперименты могут привести космические маяки, направляющие космические корабли, еще на один шаг ближе к реальности.
Редактор: Вера Круз.
Дизайн: Алиса Панченко.