uredi› krajšaj› T:150 M:370 Z: [×]

Globalni sistem pozicioniranja postaja galaktičen

To je bil dobesedno leteči obisk. Nasina sonda New Horizons je potrebovala devet let in pol, da je prispela do Plutona, a je ta pritlikavi planet lahko opazovala le tri tedne, potem pa je odbrzela do skrajnih meja osončja. Podobe, ki jih je poslala na Zemljo, so osupljive in razkrivajo pester svet orjaških plavajočih ledenih gora, gladkih ravnic in rdečkastih zaplat, podobnih tistim na Marsu. Predstavljajte si, kaj vse bi lahko izvedeli o Plutonu, ko bi bil obisk sonde daljši.

red desetletjem, ko so jo izstrelili, njene poti še niso mogli dovolj natančno načrtovati, da bi jo lahko umestili v Plutonovo orbito. Če bo odprava, ki se začenja letos, potekala po načrtu, bo Nasa lahko predstavila novo obliko navigacije, ki obeta daleč večjo natančnost. Novi sistem se namreč ne bo zanašal na zemeljske ure, tako kot sedanji, temveč na najzanesljivejše merilnike časa v vesolju – hitro vrteča se zvezdna telesa nekaj sto tisoč svetlobnih let od doma.  

Ker so njihove frekvence izjemno enakomerne, z njihovo pomočjo srečanja z drugimi planeti, kot je bil obisk Plutona, ne bodo le vse bližnja, temveč bo mogoče na Mars poslati celo odprave s človeško posadko, ne da bi bila ta odvisna od stalnega stika z Zemljo. Dolgoročno bi naši nasledniki lahko celo načrtovali pot v medzvezdno vesolje.

Trenutno vesoljska plovila v nizki Zemljini orbiti, z Mednarodno vesoljsko postajo vred, uporabljajo znani sistem pozicioniranja GPS, s katerim sporočajo svojo lokacijo. To je mreža satelitov, ki krožijo okrog našega planeta na višini 20.000 kilometrov. Sprejemnik GPS prestreže signal najmanj treh teh satelitov in na podlagi tega, kako dolgo potuje, izračuna, kako daleč je vsak od njih.

Večja oddaljenost od Zemlje prinaša dodatne izzive. Raziskava, ki jo je neka švicarska ekipa objavila letos, kaže, da bi vesoljsko plovilo lahko uporabljajo GPS za načrtovanje poti do Lune, dlje od nje pa ta sistem ne bi več deloval: signali s satelitov, obrnjenih proti Zemlji, ne sežejo tako daleč.

Zato Nasa uporablja mrežo DSN (Deep Space Network), sistem orjaških radijskih anten v Kaliforniji, Španiji in Avstraliji. Te sledilne postaje oddajajo radijski signal, ki potuje do sonde, nato pa merijo, kako dolgo traja, da se odbijejo nazaj. Če je vesoljsko plovilo vidno z dveh sledilnih postaj, je mogoče določiti njegov kotni položaj na nebu.

Nerodno je, ker vsaka od postaj DSN pokriva tretjino neba, zato večinoma poznamo le razdaljo sonde in hitrost na ravni črti od ene od anten. »Navadno je sondi mogoče slediti le z ene postaje,« je razložil Shyam Bhaskaran, katerega skupina za navigacijo do oddaljenih planetov, ki dela v Nasinem laboratoriju za reaktivni pogon v Pasadeniv Kaliforniji, trenutno usmerja odprave Cassini, Dawn in Juno.

Razlaga podatkov, ki jih zberejo radijski teleskopi, in upoštevanje napak, do katerih pride, ko signal potuje skozi našo atmosfero, zaposluje kar do 20 astronomov. »To je tako umetnost kot znanost,« pravi Bhaskaran.

Čeprav je DSN pomagala astronomom pri usmerjanju sond bliže vsem našim planetarnim sosedom, še zdaleč ni popolna. Na razdalji, kjer je Pluton, to je okoli 7,5 milijarde kilometrov od Zemlje, je navigacijska natančnost le še največ 200 kilometrov. Na kraju, kjer je sonda Voyager 1, ki so jo izstrelili 1977 in se zdaj spogleduje s tem, da bi zapustila sončni sistem približno 20 milijard kilometrov stran od Zemlje, se zmanjša na samo 500 kilometrov.

Pulzarji bodo nov GPS

»Če bi imeli zmogljivejši trirazsežni navigacijski sistem, bi dobili možnost, da bi vstopili v orbito oddaljenih teles, to je lun in planetov, z manj goriva in več količnikov za instrumente,« je pojasnil Zaven Arzoumanian iz Nasinega Goddardovega središča za vesoljske polete v Greenbeltu v zvezni državi Maryland. Z drugimi besedami, boljši način določanja položaja v vesolju bi nam omogočil, da bi izvedeli veliko novega o zunanjih predelih sončnega sistema, kaj šele o vesolju onkraj njega.

Zato potrebujemo nov sistem pozicioniranja – galaktičnega, po možnosti takega, ki deluje avtonomno na krovu vesoljskega plovila. Idealna bi bila flota satelitov, posejanih po vesolju, a to so zaenkrat le želje. Na srečo je samo vesolje poskrbelo za najboljšo možnost. Pulzarji so močno magnetizirana, hitro vrteča se telesa zvezd, ki so eksplodirale kot supernove. So nadvse gosta telesa in njihova masa, ki obsega približno 1,4 mase našega sonca, je strnjena v kroglo s premerom borih 20 kilometrov.

Ker so pulzarji tako stisnjeni, so neverjetno hitri. Večina jih rotira nekajkrat na sekundo, vendar poznamo tudi skupino, tako imenovane milisekundne pulzarje, ki se lahko zavrtijo do 700-krat na sekundo. Medtem ko se vrtijo, z obeh polov oddajajo intenziven žarek elektromagnetnega sevanja na več valovnih dolžinah, tudi na območju radijskih valov in rentgenskih žarkov. Te žarke nese po vesolju, podobno kot svetlobo svetilnika, oddajajo pa jih neverjetno enakomerno. Pravzaprav so tako enakomerni, da so pulzarje predlagali za alternativo atomski uri za standardizirani čas in celo kot metodo za prestrezanje neskončno majhnih motenj v prostor-času, ki jih povzročajo gravitacijski valovi.   

Skratka, pulzarji, sploh milisekundni, so tako rekoč popolna rešitev namesto satelitov GPS. In ker jih je po naši galaksiji posejanih na sto tisoče, bi povsod zagotavljali referenčne točke.

Astronomi sanjajo o navigaciji s pulzarji vse od odkritja teh teles v 60. letih. Navigacija bi delovala tako: sistem na krovu, ki bi meril čas prihoda posameznih pulzov z znanega pulzarja in ga primerjal s pričakovanim časom prihoda na referenčni kraj, bi lahko preračunal, koliko bliže oziroma dlje od pulzarja je vesoljsko plovilo kot fiksna točka. A razdaljo bi lahko izmeril le v eno smer. Z združevanjem meritev z najmanj treh pulzarjev bi lahko izračunali natančno trirazsežno lokacijo.

Werner Becker z Instituta Maxa Plancka za zunajzemeljsko fiziko v Münchnu je leta 2013 preračunal, da bi bila navigacija s pulzarji na pet kilometrov natančna. Drugi strokovnjaki menijo, da bi lahko bila še natančnejša. »Menimo, da bi pri odpravi v daljno vesolje lahko dosegli natančnost do kilometra, če ne še večjo,« je povedal Keith Gendreau, ki je prav tako zaposlen v Goddardovem središču za vesoljske polete. Vse to bi bilo mogoče zaradi neverjetno enakomernega oddajanja valov s pulzarjev, kar omogoča natančno merjenje razdalj, in dejstva, da bi bilo vesoljsko plovilo z vseh strani obdano s temi zvezdnimi telesi.

Navigacija s pulzarji bi odpravila še eno težavo z mrežo DSN. »Med največjimi omejitvami navigacije v vesolju je velika obremenjenost vesoljskih anten,« pojasnjuje Bhaskaran. »Pri trenutni odpravi je to še obvladljivo, v prihodnje pa bo to velik izziv, če bo veliko več odprav.«

Kaj nas torej ovira, da si poti ne zarišemo ob pomoči teh vrtečih se zvezd? Žal še vedno bolj ali manj tavamo v temi, zakaj sploh oddajajo valove. A čim več pulzarjev odkrijejo znanstveniki, tem manj skrivnostni se jim zdijo. Poleg tega je zdaj znan položaj več kot dva tisoč pulzarjev, skupaj z več kot dvesto milisekundnimi pulzarji, tako da je referenčni zemljevid vedno bolj zapolnjen. Najpomembnejši preboj pa je bil verjetno razvoj kompaktnih, lahkih teleskopov, ki odkrivajo oddajanje rentgenskih žarkov (mogoče je odkrivati tudi radijske valove pulzarjev, a so radijski teleskopi praviloma velikanski).

Prvi preizkus bo oktobra letos, ko bodo na krovu tovornega plovila SpaceX Dragon, namenjenega na mednarodno vesoljsko postajo, potegnili v vesolje 56 rentgenskih teleskopov, vsakega v velikosti kartonastega tula, v kakršnem kupimo plakat. Namestili jih bodo v napravo, veliko kot pralni stroj. Ta oprema bo igrala osrednjo vlogo na Nasini odpravi Nicer/Sextant (kratica za polno angleško ime Neutron-star Interior Composition Explorer/Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology). Prvi cilj odprave je preiskati drobovje nevtronskih zvezd, kjer gostota in pritisk presegata celo tista v atomskem jedru, in sicer tako, da bodo izmerili oddajanje rentgenskih žarkov. Obenem bo to prvi preizkus navigacije na temelju rentgenskih žarkov s pulzarjev.

Navigatorjev let  

To bo zelo zahtevna naloga. Mednarodna vesoljska postaja je nizko v Zemljini orbiti, zato bodo teleskopi na krovu nenehno izgubljali stik s pulzarji, ko bo postaja švigala okoli planeta. Teleskopi na plovilu, ki premaguje dolge razdalje po vesolju, bi lahko dolga obdobja nenehno prestrezali signale z istih pulzarjev, postaja pa Zemljo obkroži vsakih 90 minut, zato bo čas, ko bo pulzar v vidnem polju teleskopa, hudo omejen. Za nameček mora postaja tu in tam pospešiti, da premaga atmosferski upor, zato ji hitrost niha veliko bolj kot hitrost sonde daleč v vesolju.

Ta hitra in nemirna vožnja bo oteževala izpeljavo položaja in hitrosti. »Namenoma smo se postavili v zahtevno okolje, a če bo delovalo tu, bo delovalo povsod,« je optimističen Arzoumanian, ki je član odprave.

Becker, ki snuje načrt za oba navigacijska sistema, torej tistega na rentgenske žarke in drugega na radijske valove, ni prepričan, da je ta novi projekt sploh potreben. Poudarja, da so starejše sonde z rentgenskimi žarki že zbrale podatke, ki so jih potrebovali. A Gendreau dodaja, da bo Nicer/Sextant preizkusil »algoritem za avtonomno navigacijo«, s katerim naj bi podatke prežvečili na razmeroma slabotnih procesorjih na vesoljski postaji namesto na mogočnih računalnikih na Zemlji, kar je pomembno za prihodnjo navigacijo daleč v vesolju. Modularni teleskop bo astronomom poleg tega omogočil, da bodo preverili, ali bi bila navigacija mogoča z minimalnim naborom komponent.

»Dobili bomo avtonomen navigacijski sistem praktične velikosti in s preverjenim delovanjem med letom,« je še pojasnil.

Prihodnost navigacije ob pomoči pulzarjev se zdi svetla, zlasti zato, ker bo naslednja generacija radijskih observatorijev, kot bosta Square Kilometre Array v Avstraliji in Južni Afriki, število vrisanih pulzarjev na zemljevidu povečala na dvajset do trideset tisoč.

Ko bodo te zombijevske zvezde pomagale načrtovati pot, se bo spremenilo tudi raziskovanje vesolja. Zato je za Gendreauja odprava obenem priložnost, da pokažejo tehnologijo, ki jo bo človeštvo nekoč uporabljalo za iskanje poti iz sončnega sistema v galaksijo. 

Copyright Reed Business Information, distribucija Tribune Content Agency