Полстолетия назад астрономы увидели первый пульсар: мёртвую, удалённую, абсурдно плотную звезду, излучающую импульсы с примечательным постоянством. Сигнал объекта был настолько стойким, что астрономы в шутку окрестили его LGM-1 (little green men — «маленькие зелёные человечки»).
Вскоре учёные обнаружили больше сигналов такого типа. Это уменьшило вероятность того, что эти импульсы были делом рук разумных инопланетян. Но фиксирование других пульсаров дало другую возможность: вероятно, объекты, подобные LGM-1, можно использовать для навигации в глубоком космосе, которая может понадобиться будущим космическим миссиям. Мысль состояла в том, что с правильными сенсорами и навигационными алгоритмами на борту космический корабль смог бы самостоятельно определять своё расположение в космосе, замеряя принимаемые сигналы от нескольких пульсаров.
Концепция была настолько привлекательной, что при разработке золотых пластинок, размещённых на борту корабля «Пионер» Карл Саган и Фрэнк Дрейк решили разметить расположение нашей Солнечной системы относительно 14 пульсаров. «Уже тогда люди понимали, что пульсары можно использовать как маяки», — говорит Киф Гендеро, астрофизик из Центра космических полётов Годдарда в НАСА. Но десятилетиями навигация по пульсарам оставалась лишь пленительной теорией — способом для ориентирования, предоставленным для космических опер и эпизодов «Звёздного пути».
Однако в середине января Гендеро и команда исследователей НАСА объявили, что они, наконец, доказали способность пульсаров играть роль космической системы навигации. Они по-тихому выполнили демонстрацию этого в ноябре 2017, когда «Найсер» [Neutron star Interior Composition Explorer, NICER], прибор для измерения пульсаров размером со стиральную машину, доставленный на борт МКС, провёл пару дней, наблюдая за электромагнитным излучением пяти пульсаров. С помощью улучшения «Секстант» [Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, SEXTaNT — навигация на основе рентгеновского излучения пульсаров] «Найсер» смог определить расположение станции на орбите земли с точностью до 4 км — при этом перемещаясь со скоростью более 27 000 км/ч.
Но наибольшие преимущества навигации по пульсарам будут ощущаться не на орбите Земли (тут есть лучшие и более точные способы отслеживания корабля), а дальше в космосе. Сегодняшние космические миссии ориентируются по глобальной системе радиоантенн Deep Space Network (DSN) — сети дальней космической связи. «DSN даёт очень хорошую информацию по расстоянию, — говорит Гендеро, бывший главным исследователем миссии „Найсера“. — Если вам известна скорость света и у вас есть очень точные часы, она может отправить кораблю сигнал и вычислить расстояние до него с высокой точностью».
Но у DSN есть серьёзные ограничения. Чем дальше улетает корабль, тем менее надёжным получается измерение; сеть хорошо измеряет расстояние, но плохо определяет отклонение корабля. На дальних миссиях также уходит больше времени на путешествие радиоволн к земным средствам связи и на передачу инструкций от центра планирования миссий, из-за чего скорость реагирования падает до нескольких минут, часов или даже дней. Более того, сеть быстро перенасыщается; это похоже на перегруженную WiFi-связь — чем больше кораблей строят курс в глубинах космоса, тем меньшие доли пропускной способности DSN сможет им отдать.
Навигация по пульсарам должна устранить все недочёты DSN, особенно в области пропускной способности. Космический корабль, оборудованный всем для сканирования пульсаров-маяков, может подсчитывать своё абсолютное расположение без всякой связи с Землёй. Это освободит полосу пропуска DSN и ценное время на манёвры в космосе.
«Всё сводится к слову на букву А: автономии», — говорит Джейсон Митчел из НАСА, аэрокосмический технолог в Годдарде и руководитель проекта SEXTANT. Когда космический корабль способен определить своё местоположение в космосе независимо от инфраструктуры на Земле, «это даёт возможность планирующим миссию людям задуматься о навигации в таких местах, где они не смогли бы ориентироваться иначе», — говорит он. Навигация по пульсарам может позволить космическому кораблю выполнять манёвры, к примеру, за Солнцем (сигналы от и к DSN не могут проходить Солнце насквозь). В отдалённом будущем миссии на границах нашей Солнечной системы и за её пределами — к примеру, в облаке Оорта — смогут маневрировать в реальном времени на основе самостоятельно определяемых координат, не ожидая инструкций с Земли.
Но пульсары -это не единственный способ ориентации в отдалённой солнечной системе. Джозеф Гуинн — эксперт по навигации в глубоком космосе в Лаборатории реактивного движения НАСА, не связанный с «Найсером», разрабатывает автономную систему, способную использовать камеры для обнаружения объектов, используя положение которых можно определять свои координаты. Он называет эту систему позиционированием в глубоком космосе (deep-space positioning system, DPS). Она работает через использование отражение от космических камней в поясе астероидов между Марсом и Юпитером. Эти отражения повторяю схему работы глобальной системы позиционирования GPS, сеть спутников, расположенных на высоте 20180 км на орбите вокруг Земли. Её главное преимущество в том, что она способна сообщить космическому кораблю его местоположение относительно интересующего его объекта. Навигация по пульсарам может только сообщить кораблю его абсолютное расположение в пространстве. Представьте себе это так: навигация по пульсарам может сказать, находитесь ли вы внутри вашего офисного здания, а DPS — сообщить, не стоит ли у вас за спиной ваш начальник.
Но у DPS есть и недостатки. Как и GPS, система DPS теряет свою надёжность, если вылететь за её пределы. «Если забраться достаточно далеко в глубины Солнечной системы, где ничего не видно из-за малого количества света, вы можете оказаться в таком положении, когда навигация по пульсарам будет вашей единственной возможностью», — говорит Гуинн. Ведь пульсары расположены очень далеко за пределами нашей Солнечной системы; «вам не нужно беспокоится о том, чтобы не вылететь за их пределы».
Идеальным решением было бы оборудовать космический корабль приборами для различных видов навигации: передатчиками и приёмниками для связи с DPS на Земли; системой DPS; высокоточными сенсорами вроде «Найсера» для обнаружения и измерения времени прибытия сигналов пульсаров. Если DSN окажется перегруженной, или если кораблю будет необходимо ориентироваться автономно и в реальном времени, DPS может вступить в строй. Если для неё будет слишком темно, эстафету принимают пульсары. Когда одна система отказывает или доходит до пределов своих возможностей, на её место заступает другая.
В таких критически важных системах, как навигация, избыточность чрезвычайно важна. «Хорошее свойство навигации по пульсарам состоит в том, что она работает совершенно независимо от всех остальных методов навигации, а это может быть очень ценным», — говорит Гендеро. Вероятно, поэтому, согласно ему, люди, планирующие миссии, выказывали интерес в планах добавить навигацию по пульсарам в космический корабль «Орион«, который будут разрабатывать для отправки людей в космос дальше, чем какое-либо другое средство передвижения в истории. Гуинн говорит, что также разрабатываются планы по оснащению «Ориона» системой DPS, а ещё ей интересуется и SpaceX.
Проблема с избыточностью в том, чтобы найти на корабле место для всего этого оборудования. В космических миссиях важен каждый грамм. Больше веса требует больше топлива, а больше топлива требует больше денег. Сама обсерватория «Найсер» сравнима по размеру со стиральной машиной. Если навигация по пульсарам хочет заслужить себе место на транспортных кораблях, отправляющихся в глубокий космос, ей придётся сбросить пару килограмм.
Источник
