Pulsary: jak pomogą w nawigacji
Gwiazdy od wieków służyły podróżnikom do nawigacji, Gwiazda Polarna zaś wskazywała żeglarzom kierunek północny. Dziś do wyznaczania dokładnego położenia na powierzchni Ziemi najczęściej wykorzystujemy satelitarne systemy globalnego pozycjonowania (GNSS) takie jak GPS, Galileo, GLONASS czy BeiDou. Stosują je zarówno wojsko, jak i cywile. Jak działają te systemy? Każdy z satelitów GNSS ma na pokładzie bardzo precyzyjny zegar i wysyła regularnie sygnał drogą radiową. Odbiornik na Ziemi, umieszczony choćby w telefonie komórkowym, rozpoznaje takie sygnały od kilku obecnych na nieboskłonie (w jego polu widzenia) satelitów. W każdym przypadku wie, o której dokładnie godzinie sygnał został wyemitowany oraz o której godzinie do niego dotarł. Mając informacje o położeniu konkretnego satelity oraz o tym, ile czasu zajęło sygnałowi radiowemu dotarcie do odbiornika, komputer w naszym urządzeniu oblicza dokładną odległość od tego satelity.
Powtórzenie tego samego zabiegu w odniesieniu do kilku rozrzuconych w różnych częściach nieba satelitów pozwala zmierzyć dystans dzielący nas od każdego z tych urządzeń i określić nasze aktualne położenie. Żeby wynik był dokładny, trzeba uwzględniać szereg złożonych poprawek, związanych np. z różnymi prędkościami rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w różnych warstwach ziemskiej atmosfery czy też z efektami relatywistycznymi, dotyczącymi pomiaru czasu na orbicie oraz na powierzchni Ziemi, wynikającymi z teorii względności Einsteina. Oczywiście satelitarne systemy GNSS nie są pozbawione wad. Sygnały radiowe satelitów mogą być zakłócane lub fałszowane przez nieprzyjazne mocarstwo.
Poza szerokim zastosowaniem na powierzchni planety systemy te mogą być z powodzeniem używane do wyznaczania pozycji innego rodzaju satelitów – np. obserwacyjnych – operujących na niskiej orbicie okołoziemskiej (Low Earth Orbit – LEO, do wysokości 2 tys. km). Dla wyjaśnienia – same satelity GNSS krążą na wysokościach rzędu 19–23 tys. km, czyli na średniej orbicie okołoziemskiej (Medium Earth Orbit – MEO). A co, jeśli statek kosmiczny – załogowy lub bezzałogowy – ma trafić na orbitę wokół Księżyca albo polecieć do którejś z planet Układu Słonecznego?
Dalej od Ziemi nie ma możliwości użycia satelitów Galileo czy BeiDou. Korzysta się więc przede wszystkim z komunikacji radiowej pomiędzy statkiem kosmicznym a stacjami naziemnymi. W przypadku bezzałogowych sond międzyplanetarnych służą do tego anteny takich systemów jak NASA Deep Space Network (DSN). Ten sposób pozycjonowania odległych statków ma jednak liczne wady. Przede wszystkim wykorzystanie tak zaawansowanej infrastruktury nadawczo-odbiorczej jak DSN jest kosztowne i wymaga znacznego zaangażowania personelu. Ponadto im dalej pojazd znajduje się od Ziemi, tym mniej dokładne staje się określenie jego położenia za pomocą dwustronnej komunikacji radiowej. Na przykład sygnał radiowy nadany z naszej planety potrzebuje obecnie ponad 21 godz., by dotrzeć do wciąż działającej sondy Voyager 1, która opuściła Układ Słoneczny i przemierza obecnie otwartą przestrzeń międzygwiazdową.
Należy także podkreślić, że najbardziej miarodajne pomiary radiowe uzyskujemy, gdy obiekt porusza się wzdłuż prostej, łączącej go z naszą planetą – zbliża się do nas lub oddala. Jednak w przypadku misji międzyplanetarnej tor lotu sondy często będzie znacznie bardziej skomplikowany. Zobaczymy, że przesuwa się ona po niebie tak, jak na tle odległych gwiazd przesuwają się planety i komety, przechodzące przez kolejne gwiazdozbiory. W takiej sytuacji badanie parametrów ruchu statku kosmicznego z wykorzystaniem łączności radiowej z Ziemią będzie już obarczone znaczącym błędem. Dokładność pomiaru będzie spadać wraz z oddalaniem się od Ziemi.
Per aspera ad astra
Do określania orientacji (ustawienia względem innych obiektów) satelity czy innego statku kosmicznego w przestrzeni kosmicznej wykorzystuje się często tzw. szukacze gwiazd (ang. star trackers). Potrzebne są tu dwa elementy: aparat cyfrowy do wykonywania zdjęć rozgwieżdżonego nieba i komputer porównujący cyfrowe obrazy do zapisanych w swojej pamięci map gwiazd. Na tej podstawie szukacz gwiazd ustala, w jakim kierunku jest ustawiony. To pozwala określić orientację wybranego obiektu w kosmosie.
Jednak do określenia dokładnego położenia i parametrów ruchu statku kosmicznego przemierzającego Układ Słoneczny najbardziej przydatny byłby system działający podobnie do satelitów GPS, tyle że na znacznie większą skalę. Na nasze szczęście w Drodze Mlecznej, czyli naszej rodzimej galaktyce, znajdują się naturalne obiekty doskonale nadające się do odegrania tej roli. Kosmicznymi radiolatarniami mogą być pulsary, czyli szczególne gwiazdy neutronowe. Pomysł użycia ich do nawigacji i określania pozycji obiektu w przestrzeni kosmicznej narodził się w pierwszej połowie lat 70. XX w. Legendarne mapy umieszczone na pokładach sond kosmicznych Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1 i Voyager 2 wskazują położenie naszego układu planetarnego w odniesieniu do centrum Galaktyki oraz 14 pulsarów. Co prawda okres rotacji jednego z tych obiektów, oznaczonego jako J1243–6423 (znany też jako 1240), podany jest niedokładnie, ale umieszczenie tam kilkunastu tego rodzaju punktów odniesienia i tak daje gwarancję, że inteligentna istota, która być może kiedyś spojrzy na ów plan, zlokalizuje na jego podstawie Słońce.
Hipergęste latarnie morskie
Pulsar powstaje, gdy gwiazda mająca 10–25 mas Słońca (obiekty zaliczane do nadolbrzymów) wybucha w postaci supernowej. Jej jądro wówczas się zapada – dochodzi do tzw. kolapsu grawitacyjnego. Powstała gwiazda neutronowa ma zazwyczaj masę rzędu 1,4 mas Słońca, przy średnicy ok. 20 km. Skupienie znacznej masy w bardzo małej objętości sprawia, że obiekt jest ekstremalnie gęsty. Według szacunków mieszcząca się na łyżce porcja materii z takiej gwiazdy w warunkach ziemskich ważyłaby miliardy ton.
Pulsary to te spośród gwiazd neutronowych, które regularnie „omiatają Ziemię swoim światłem”. Ponieważ mają silne pole magnetyczne, emitują sponad każdego ze swoich biegunów magnetycznych kierunkową wiązkę promieniowania elektromagnetycznego. Gdy oś pola magnetycznego gwiazdy neutronowej nie pokrywa się z osią obrotu tejże gwiazdy (obydwie osie nachylone są pod pewnym kątem względem siebie), wtedy podczas rotacji pulsara stożkowe wiązki emitowanego promieniowania elektromagnetycznego regularnie omiatają części sfery niebieskiej. Jeśli taki stożek światła omiata Ziemię (jak światło latarni morskiej przy każdym obrocie omiata statek na morzu), wówczas taka gwiazda neutronowa jest dla ziemskich obserwatorów pulsarem. Z określoną częstotliwością odbieramy bowiem wysyłane przez nią przy każdym obrocie w naszą stronę pulsy promieniowania elektromagnetycznego.
Dotychczasowe analizy wykazały, że do celów kosmicznego pozycjonowania najbardziej przydatne będą tzw. pulsary milisekundowe, z okresem obrotu wynoszącym do 10 ms. Te właśnie gwiazdy neutronowe cechują się niezwykłą dokładnością – wysyłają ku nam pulsy promieniowania elektromagnetycznego w wyjątkowo równych odstępach. Precyzja ta jest porównywalna z precyzją odmierzania czasu przez superdokładne zegary atomowe, co pozwala na prognozowanie wystąpienia kolejnych błysków na całe lata do przodu.
Radio czy rentgen?
Pulsary przydatne pod kątem kosmicznej nawigacji emitują promieniowanie elektromagnetyczne zarówno w zakresie fal radiowych, jak i promieniowania rentgenowskiego (X). Projektanci przyszłych misji kosmicznych muszą zdecydować, które fale wykorzystać. Obliczenia wskazują, że w przypadku użycia do pozycjonowania fal radiowych statek kosmiczny musiałby posługiwać się dosyć dużą anteną (impulsy radiowe pulsarów są ponad milion razy słabsze niż sygnały emitowane przez satelity GPS). Przykładowo dla fal o długości 21 cm należałoby dysponować układem anten o łącznej powierzchni 150 m2 i wadze minimum 170 kg. Z kolei teleskop rentgenowski do odbioru promieni X od pulsarów może być znacznie mniejszy i lżejszy. Ponieważ w obecnych misjach priorytetem są rozmiary, wydaje się to lepszym rozwiązaniem.
Niektórzy badacze podkreślają, że instrumenty do odbioru fal radiowych pulsarów mogłyby stanowić ważne uzupełnienie teleskopów rentgenowskich, zwłaszcza dla misji w głęboki kosmos, w tym poza granice Układu Słonecznego. Należy mieć przy tym na uwadze, że sensory pracujące w paśmie X mogą ulec uszkodzeniu w przypadku ekspozycji na oddziaływanie wyjątkowo wysokoenergetycznego źródła promieniowania rentgenowskiego. Tym niemniej wszystko wskazuje na to, że pierwsze niewielkie sondy bezzałogowe, realizujące swoje misje na bazie pozycjonowania i nawigacji pulsarowej, będą raczej miały na pokładach teleskopy rentgenowskie, a nie radioteleskopy.
Jak to działa?
Przede wszystkim potrzebny będzie katalog dobrze rozpoznanych pulsarów milisekundowych. Musimy znać ich dokładne położenie na niebie oraz odległości od centrum interesującego nas układu odniesienia, czyli w tym przypadku od środka masy (barycentrum) Układu Słonecznego. Oprócz tego trzeba dysponować precyzyjnymi pomiarami okresu rotacji tych obiektów i wynikającej zeń częstotliwości wysyłania pulsów. Pulsary odegrałyby tę samą rolę jak w satelitach GNSS superdokładne zegary atomowe, a wysyłanie przez gwiazdy kolejnych pulsów można nieco metaforycznie porównać do tykania sekundników takich zegarów.
W celu określenia położenia statku w Układzie Słonecznym jego sensory przechwytywałyby sygnały od kilku rozrzuconych po sferze niebieskiej pulsarów. Znając prędkość, z jaką przestrzeń kosmiczną przemierza rentgenowskie promieniowanie elektromagnetyczne (chodzi tu de facto o prędkość światła), komputer mierzyłby odległość statku kosmicznego od każdego z obserwowanych pulsarów, a to dawałoby trójwymiarową lokalizację w przestrzeni. Z kolei rejestrowanie następujących po sobie pulsów od poszczególnych rotujących gwiazd neutronowych umożliwiłoby zorientowanie się w parametrach ruchu statku. Odstępy pomiędzy emisjami kolejnych błysków przez pulsary milisekundowe są bowiem stałe. Gdy pojazd kosmiczny zbliża się do pulsara, to rejestrowane przez niego odstępy minimalnie się skracają. Analogicznie: gdy się oddala, to przerwy pomiędzy kolejnymi błyskami minimalnie się wydłużają. Mając informacje o tym, jak statek porusza się względem kilku pulsarów, będzie można określić jego kierunek ruchu oraz prędkość.
Pierwsze próby
Możliwość wykorzystania odpowiednich gwiazd neutronowych do pozycjonowania w kosmosie zaczęli badać m.in. Chińczycy. 9 listopada 2016 r. startująca z Jiuquan rakieta Długi Marsz-11 wyniosła satelitę XPNAV-1. Ważące 240 kg urządzenie trafiło na polarną, niemal kołową niską orbitę okołoziemską (ok. 500 km nad Ziemią). Cel misji statku XPNAV-1 to dokładne przyjrzenie się 26 nieodległym pulsarom w ciągu 5–10 lat. Umożliwi to stworzenie bazy danych o tych kosmicznych obiektach. Zawarte w bazie informacje posłużą do faktycznego operacyjnego już wykorzystania pulsarów na rzecz pozycjonowania podczas realizacji przyszłych misji kosmicznych na podstawie tej metody nawigacji.
Próbę nawigacji pulsarowej przeprowadził też inny chiński statek kosmiczny – przeznaczony do obserwacji czarnych dziur, pulsarów oraz rozbłysków gamma Hard X-ray Modulation Telescope (HXMT). Znany także pod nazwą Insight, został wystrzelony 15 czerwca 2017 r. Na przełomie sierpnia i września 2017 r. przez kilka dni obserwował słynny pulsar w Mgławicy Kraba, znajdującej się w gwiazdozbiorze Byka. W toku misji HXMT chińscy naukowcy z powodzeniem przetestowali algorytm na rzecz kosmicznej nawigacji pulsarowej. Stosując tę metodę pozycjonowania, udało im się określić orbitę teleskopu z dokładnością do 10 km.
W drugiej połowie minionej dekady badania dotyczące wykorzystania pulsarów do nawigacji przeprowadzała także NASA (w styczniu 2018 r. zrealizowano eksperyment SEXTANT – Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology). W tym celu na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) wykorzystano dostarczony tam w czerwcu 2017 r. teleskop NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer). W ramach doświadczenia zamontowany na ISS sensor przyglądał się pięciu pulsarom. Każdą z tych gwiazd obserwował przez 5–15 min, po czym kierował spojrzenie na następny obiekt. Pierwotnie naukowcy biorący udział w programie zakładali, że będzie dobrze, jeśli uda im się osiągnąć dokładność pozycjonowania rzędu 10 km w ciągu dwóch tygodni. Tymczasem testy z użyciem NICER/SEXTANT pozwoliły określić pozycję ISS z dokładnością do 7 km już po dwóch dniach.
Liczne zalety
Oparcie nawigacji na impulsach rentgenowskich wysyłanych przez pulsary niesie ze sobą wiele wyzwań. Ponieważ sygnały te są dosyć słabe, należy opracować wystarczająco czułe sensory, które wyłapywałyby owe błyski spośród innych źródeł promieniowania. Jednocześnie sensory te powinny być odpowiednio lekkie, małe i niskoenergochłonne, a także powinny umożliwiać szybkie pomiary. Wygląda jednak na to, że jesteśmy bliscy przezwyciężenia tych trudności, a nawigacja pulsarowa może jeszcze w pierwszej połowie obecnego stulecia stać się bardzo efektywnym i szybkim narzędziem. Oznaczałoby to brak konieczności stałej komunikacji radiowej pomiędzy statkiem kosmicznym a Ziemią. Obserwując rozrzucone po niebie pulsary, pojazd będzie mógł autonomicznie określać swoją pozycję. To pozwoli na wyeliminowanie niedogodności związanych z opóźnieniem w transmisji sygnału radiowego jednostek operujących w odleglejszych rejonach Układu Słonecznego. Rezygnacja z nawigowania opartego na łączności z Ziemią oznacza również mniejsze koszty misji (choćby w zakresie obsługi infrastruktury antenowej na Ziemi) oraz większą efektywność działania sondy kosmicznej, która szybciej realizowałaby swoje zadania.
Pozycjonowanie na podstawie błysków pulsarów milisekundowych może być z powodzeniem wykorzystywane również na orbitach wokół naszej planety. To miałoby znaczenie w kontekście coraz szerszego, również militarnego, wykorzystania satelitów. Pulsary „nadają” w szerokim zakresie promieniowania elektromagnetycznego, dzięki czemu ich sygnałów – w przeciwieństwie do tych radiowych, wysyłanych przez satelity GPS – nie da się łatwo zakłócić czy fałszować. Ponadto wróg nie strąci pulsara z użyciem broni antysatelitarnej ani nie unieszkodliwi za pomocą pojazdu kosmicznego. Można więc powiedzieć, że poleganie na nawigacji pulsarowej zapewnia w pewien sposób dużą stabilność i bezpieczeństwo.
Podsumowując, nawigacja pulsarowa ma szansę stać się doskonałą metodą określania pozycji statków kosmicznych podróżujących do rubieży Układu Słonecznego i dalej bez potrzeby używania tradycyjnych systemów radiowych oraz optycznych. Dokładność tego rozwiązania będzie niezwykle pomocna w manewrowaniu sondami kosmicznymi choćby w pobliżu księżyców planet zewnętrznych czy nawet ciał niebieskich tak odległych jak Pluton. Według niektórych szacunków określanie pozycji statku z wykorzystaniem sygnałów rotujących gwiazd neutronowych pozwoli osiągnąć dokładność rzędu 30 km dla obiektu operującego w sąsiedztwie orbity Neptuna. Być może z czasem powstaną algorytmy, które umożliwią zastosowanie szczególnie nadających się do tego celu pulsarów, by determinować pozycję sondy operującej w pobliżu Neptuna (4,5 mld km od Słońca) z dokładnością do 2 km.