Pulsarer kan fungere som GPS for planetferder

Nytt NASA-eksperiment skal opp i 2017.

Publisert

Se NASA-video om NICER/SEXTANT-eksperimentet!

Pulsarer er fjerne stjerner som sender ut jevne, kraftige blink. De har blitt kalt himmelrommets fyrtårn.

Et nytt eksperiment skal prøve å utnytte disse fyrtårnene til å navigere i verdensrommet, slik fly og båter i dag navigerer på verdenshavene med GPS.

Dobbelt eksperiment

Instrumentet NICER/SEXTANT skal etter planen skytes opp til den internasjonale romstasjonen i 2017, trolig i en Dragon-romkapsel fra firmaet Space-X, eller med en japansk rakett.

NICER/SEXTANT har et dobbeltnavn, og får dobbelt funksjon. NICER (Neutron star Interior Composition ExploreR) skal granske pulsarene for å finne ut mer om dem.

SEXTANT (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology)skal bruke de samme pulsarene til å navigere i verdensrommet med større nøyaktighet enn dagens metoder.

Som interplanetarisk GPS

For å klare det, brukes en teknologi som ligner GPS. Pulsarene har nemlig noe til felles med GPS-satellittene.

Begge sender ut korte pulser, som kan bestemmes nøyaktig i tid. Ved å måle blant annet tidsforsinkelser, kan avstanden til GPS-satellittene eller pulsarene bestemmes. Dermed går det an å regne ut hvor mottakeren er.

GPS-satellittene svermer rundt jordkloden. Det betyr at de er til nytte for å navigere nede på jorda. Men GPS er til liten nytte for et romskip på vei til Mars.

Pulsarene er derimot langt unna. De står på tilnærmet samme sted på himmelkula, uansett hvor i solsystemet du er. Derfor kan de bli nyttige for å navigere mellom planetene, eller enda lengre ut.

Presise røntgenmålinger

NICER_/SEXTANT-eksperimentet skal fly på utsiden av den internasjonale romstasjonen. Det skal studere pulsarer i røntgenområdet, og samtidig prøves ut som navigasjon med pulsarer etter omtrent samme prinsipp som GPS. (Foto: (Illustrasjon: NASA))
NICER_/SEXTANT-eksperimentet skal fly på utsiden av den internasjonale romstasjonen. Det skal studere pulsarer i røntgenområdet, og samtidig prøves ut som navigasjon med pulsarer etter omtrent samme prinsipp som GPS. (Foto: (Illustrasjon: NASA))

NICER/SEXTANT skal festes til utsiden av romstasjonen. Instrumentet har form og størrelse som et kjøleskap med 56 små parabolantenner. Men de små rundingene er ikke parabolantenner. De er runde speil, samlet i ringer. 

Hele instrumentet kan dreies. Alle de 56 speilenhetene skal samle røntgenstråler fra en og en pulsar om gangen.

Pulsarer er gamle stjerner som er klemt sammen av sin egen tyngdekraft. De roterer opptil flere hundre ganger i sekundet.  Under hver omdreining sender pulsarene ut smale sveip av blant annet røntgenstråler.

Disse raske strålesveipene må NICER kunne fange opp. Instrumentet kan skjelne variasjoner ned til nærmeste tre hundremilliondels sekund.

Først da kan forskerne få kunnskapen de trenger for å regne ut størrelsen og andre egenskaper til pulsarene.

Fra tid til avstand

Den samme presisjonen kan utnyttes til å navigere med romskip. SEXTANT bruker de samme dataene som NICER, bare på en annen måte.

Pulsarene roterer med nøyaktig samme tempo hele tiden. De fungerer derfor som kosmiske tidssignaler.

SEXTANT sammenligner når tidssignalene faktisk kommer fram til instrumentet, med når de er beregnet å komme fram.

Siden lyset bruker litt tid på å tilbakelegge avstander gjennom rommet, kan slike tidsforskjeller omsettes i avstander.

Denne pulsaren i stjernebildet Vela ligger omtrent 1000 lysår fra jorda. Den er fotografert i røntgenstråler med Chandra-romobservatoriet. (Foto: NASA/CXC/University of Toronto/M. Durant, et.al)
Denne pulsaren i stjernebildet Vela ligger omtrent 1000 lysår fra jorda. Den er fotografert i røntgenstråler med Chandra-romobservatoriet. (Foto: NASA/CXC/University of Toronto/M. Durant, et.al)

Triangulering i rommet

SEXTANT kan også måle hvordan svingetakten til røntgenstrålene endrer seg, omtrent som når tonehøyden på en sykebilsirene daler når den passerer og fjerner seg.

Dette kalles Dopplereffekten, og kan brukes til å regne ut hastigheten som romskipet beveger seg mot eller vekk fra pulsarene.

Ved å bruke flere pulsarer, kan datamaskinen gjøre samme beregninger som oldtidens sjøfarere - de bruker geometri til å triangulere hvor de er.

På egen hånd

Dagens romsonder bruker radiosignaler fra de store parabolantennene for å navigere. Problemet er at nøyaktigheten synker jo lengre unna romskipet kommer.

Nøyaktigheten faller særlig sidelengs på en linje fra jorda til romskipet. Radiostrålen blir jo bredere og bredere lengre vekk fra jorda.

Ute ved banen til Saturn har nøyaktigheten sunket til rundt 100 kilometer. Likevel har NASA klart å gjennomføre sine ekspedisjoner til de ytre planetene med denne lave nøyaktigheten.

Ved å bruke pulsarer, kan nøyaktigheten forbedres til mellom fem og ti kilometer. Nøyaktigheten blir den samme over alt i solsystemet og langt utenfor. Pulsarene er jo så fjerne.

En annen fordel er at romskipene da ikke blir avhengige av radiosambandet med jorda. Det kan navigere på egen hånd.

Bedre enn radiobølger

Pulsarer sender ikke bare ut røntgenstråler. De blinker også i synlig lys, og sender ut radiobølger. Det er likevel best å bruke røntgenstråler, av to grunner.

Den første er at røntgenstråler ikke forsinkes underveis gjennom skyer av støv og gass underveis mot jorda. Radiobølger forsinkes, og slike forsinkelser kan feiltolkes som feil posisjon.

Det er for øvrig en tilsvarende forsinkelse av radiobølgene gjennom elektrisk ladede skyer øverst i jordatmosfæren som av og til gir avvik i GPS-mottakere.

Den andre grunnen er at parabolantenner som skal fange opp radiosignaler fra pulsarer, blir svært store. Røntgenbølger er mye, mye kortere. Mottakerne kan derfor gjøres mye mindre.

Spesielle speil

Sjefsforsker Keith Gendreau med et røntgenspeil som ligner ett av de 56 på NICER/SEXTANT. De konsentriske ringene fungerer som røntgenspeil, med svært slak vinkel mot retningen fra strålene. (Foto: Bill Hrybyk)
Sjefsforsker Keith Gendreau med et røntgenspeil som ligner ett av de 56 på NICER/SEXTANT. De konsentriske ringene fungerer som røntgenspeil, med svært slak vinkel mot retningen fra strålene. (Foto: Bill Hrybyk)

Røntgenstråler kan ikke bruke linser eller speil som i vanlige teleskoper. De må ha speil der strålene treffer i slak vinkel, ellers går røntgenstrålene rett gjennom eller blir sugd opp i materialet.

Et slikt speilteleskop kalles et Wolter-teleskop. Det kan bare fokusere på et lite område av himmelen, typisk en åttendedel av størrelsen til månen, sett fra jorda.

NICER/SEXTANT bruker en variant av Wolter-teleskopet, men uten å fokusere røntgenbildet skarpt. Instrumentet skal bare måle styrken på røntgenstrålingen, ikke ta bilder.

Pulsar-simulator

I disse dager prøves instrumentet ut på bakken i NASAs Goddard Space Flight Center. Utprøvingen gjøres med verdens første kunstige pulsarer, i form av en pulserende røntgenkilde der styrke og blinketempo kan varieres.

Når NICER/SEXTANT er festet på utsiden av den internasjonale romstasjonen en gang i 2017, skal den etter planen virke i 18 måneder.

Den første tida vil SEXTANT-eksperimentet sammenligne resultatene som kommer fra pulsarene med den kjente posisjonen til romstasjonen.

Slik kan forskerne lære hvordan de skal bruke blinkene fra de himmelske fyrtårnene på framtidas tokt til fjerne kloder.

Tre av de 56 speilsegmentene på NICER/SEXTANT, som skal studere pulsarer og prøve ut navigasjon med pulsarer. (Foto: Pat Izzo)
Tre av de 56 speilsegmentene på NICER/SEXTANT, som skal studere pulsarer og prøve ut navigasjon med pulsarer. (Foto: Pat Izzo)

Referanse og lenker:

Mike Georg Bernhardt et.al: Autonomous Spacecraft Navigation Based on Pulsar Timing Information, Presented at the 2nd International Conference on Space Technology, 15–17 Sept. 2011, Athens, Greece (Fin bakgrunnsartikkel som forklarer prinsippet)

The Latest Incarnation of Celestial-Based Navigation, artikkel om SEXTANT på NASAs sider, med historisk bakgrunn om navigasjon

NASA Taps the Power of Zombie Stars in Two-in-One Instrument, bakgrunnsartikkel om NICER/SEXTANT på NASAs sider, datert 4.5.2013

NASA Builds Unusual Testbed for Analyzing X-ray Navigation Technologies, artikkel om pulsar-simulatoren for utprøving av NICER/SEXTANT på NASAs sider

NICER - nettside fra NASA for forskere, med lenker til mer tekniske dokumenter