Czym są pulsary i jak je wykorzystać do poruszania się w przestrzeni kosmicznej?

Pulsary to gwałtownie wirujące gwiazdy neutronowe o silnych polach magnetycznych, emitujące z wysoką częstotliwością i w równych odstępach czasu kierunkową wiązkę promieniowania elektromagnetycznego. Obiekty te są specyficznymi pozostałościami po masywnych gwiazdach, które zdążyły zużyć swoje zasoby wodorowego paliwa. Charakterystyka pulsarów czyni z nich zjawisko użyteczne przy ustalaniu względnego położenia obiektów we Wszechświecie. Ich właściwości wykorzystano m. in. przy tworzeniu słynnej kosmicznej „mapy” wysłanej w kosmos na pokładach sond Voyager i Pioneer. Diagram ten przedstawia galaktyczne umiejscowienie Układu Słonecznego względem centrum Drogi Mlecznej i 14 znanych pulsarów.

Właściwości tych niezwykłych ciał niebieskich są aktualnie podstawą badań nad autonomicznymi układami orientacji w przestrzeni kosmicznej. Prace w tym zakresie prowadzą m.in. brytyjscy naukowcy z Uniwersytetu w Leicester oraz lokalnego Narodowego Laboratorium Fizycznego. Realizowany przez nich projekt badawczy o nazwie XNAV zakłada stworzenie pokładowego systemu nawigacji, który funkcjonowałby w oparciu o odbiór promieniowania wysyłanego przez pulsary w paśmie rentgenowskim. Głównym założeniem jest niezależne śledzenie i korygowanie pozycji pojazdu w przestrzeni trójwymiarowej w oparciu o wybrane punkty odniesienia, zgodnie z zasadą triangulacji. Pomiar byłby prowadzony w całości z pokładu statku kosmicznego, przy użyciu własnych instrumentów obserwacyjnych i zminiaturyzowanych teleskopów.

Alternatywa dla systemów nawigacji w kosmosie opartych o stacje naziemne

Pomimo wczesnego stadium zaawansowania, XNAV ma stanowić na tym etapie realną alternatywę dla kosztownych i nieefektywnych współczesnych systemów nawigacji kosmicznej. Obecnie działające układy odniesienia opierają się na łączności z globalną siecią naziemnych stacji komunikacji radiowej, takich jak NASA Deep Space Network (DSN) i ośrodek Europejskiej Agencji Kosmicznej, ESTRACK. Sieci te wymagają od statków kosmicznych utrzymywania kontaktu z Ziemią, by umożliwić im prawidłowe wykonywanie manewrów w trakcie całej misji. Wiążą się z tym spore utrudnienia, związane przede wszystkim z poważnymi opóźnieniami transmisji na dłuższych dystansach oraz koniecznym zaangażowaniem zasobów ludzkich i infrastruktury naziemnej.

Prace nad rozwojem układu XNAV prowadzone są pod okiem Europejskiej Agencji Kosmicznej, która zleciła brytyjskiemu zespołowi badaczy realizację całego projektu. W ramach zadania, naukowcy opublikowali wstępne wyniki badań obejmujące model praktycznego zastosowania metody oraz wnioski z przeprowadzonych symulacji. Znalazły się wśród nich wyliczenia potwierdzające skuteczność pozycjonowania statków kosmicznych w oparciu o śledzenie pulsarów z użyciem współcześnie dostępnych przyrządów obserwacyjnych. Na tej podstawie stworzono wykaz ciał niebieskich będących potencjalnymi punktami odniesienia dla działających systemów nawigacji nowego typu. Obiekty opisano również stosownymi współczynnikami oferowanej dokładności pozycjonowania.

Jak wynika z przykładów przedstawionych przez brytyjskich naukowców, pomiar z użyciem tak skonfigurowanego systemu w okolicach orbity Neptuna (w odległości 30 jednostek astronomicznych od Słońca, czyli 4,5 mld kilometrów) mógłby uzyskać dokładność rzędu 30 kilometrów. Co więcej, przy uwzględnieniu wybranych pulsarów i odpowiednio długim czasie ekspozycji parametr ten może schodzić do zaledwie 2 kilometrów. Jak deklarują sami autorzy badań, możliwości takie oferują jednak tylko specyficzne rodzaje pulsarów, o bardzo wysokich prędkościach rotacji i równomierności impulsów.

"Kosmiczny GPS" wesprze załogową misję na Marsa?

Pomysłodawcy systemu przyznają zarazem, że opracowanie działającej wersji będzie wymagało jeszcze poważnego nakładu prac i upływu lat przed ostatecznym wdrożeniem projektu. W zapowiedziach dotyczących przewidywanych terminów wskazuje się na bliżej nieokreślone daty wiązane ze startem załogowych misji na Marsa, w przypadku których nowy układ nawigacyjny ma okazać się wyjątkowo użyteczny. Wyzwaniem pozostają także kwestie zapewnienia odpowiedniej precyzji instrumentów obserwacyjnych, wyeliminowania błędów pomiarowych oraz skrócenia czasów ekspozycji, która w tym momencie zwykle nie schodzi poniżej 10 godzin.

Co się tyczy aparatury obserwacyjnej, niezbędne jest zapewnienie odpowiednio małej masy i gabarytów przy zachowaniu wystarczającej precyzji obrazowania. Nadal istnieją w tym zakresie pewne ograniczenia techniczne, które naukowcy spodziewają się zniwelować w miarę rozwoju projektu i równoległej ewolucji rozwiązań sprzętowych. Wśród rozpatrywanych zagadnień problemowych znajdują się też kwestie uzupełnienia instrumentów rentgenowskich o aparaturę odbierającą fale radiowe. Podkreśla się, że może ona okazać się niezbędna na dalszych dystansach od Ziemi, szczególnie na okoliczność przyszłych wypraw poza Układ Słoneczny.

Co dalej?

Prace nad systemem XNAV nie są jednak odosobnionym przypadkiem rozwoju autonomicznej nawigacji kosmicznej, a w realizacji znajdują się aktualnie również inne tego typu projekty. Konkurencja niewątpliwie sprzyja dalszemu dynamicznemu rozwojowi i nowym dokonaniom na tym polu w niedalekiej przyszłości. Takowe mogą pojawić się już w lutym 2017 roku, gdy NASA dostarczy na Międzynarodową Stację Kosmiczną urządzenie obserwacyjne Neutron star Interior Composition ExploreR (NICER). Przyrząd służący docelowo do obserwacji gwiazd neutronowych będzie wyposażony w rozszerzenie dedykowane pomiarom przestrzennym z wykorzystaniem sygnałów emitowanych przez pulsary. Instrument o nazwie Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology (SEXTANT) będzie miał za zadanie umożliwić pierwsze próbne użycie samodzielnego układu orientacji przestrzennej w kosmosie. Wspomniany test będzie miał duże znaczenie dla dalszych prac nad praktycznym zastosowaniem technik pozycjonowania z pomocą pulsarów.

Czytaj też: GPS na Księżycu? Stacja satelitarna w Anglii kluczowym elementem