Eeuwenlang, vuurtorens hielpen zeelieden om veilig de haven binnen te varen. Hun lichten zwaaiden over het water, snijden door mist en duisternis, zeelieden begeleiden rond gevaarlijke obstakels en ze op het juiste pad houden. In de toekomst, ruimteverkenners kunnen soortgelijke begeleiding krijgen van de stabiele signalen die door pulsars worden gecreëerd.

Wetenschappers en ingenieurs gebruiken het International Space Station om op pulsar gebaseerde navigatie te ontwikkelen met behulp van deze kosmische vuurtorens om te helpen bij het vinden van de weg op reizen naar de maan onder het Artemis-programma van NASA en op toekomstige menselijke missies naar Mars.

pulsars, of snel draaiende neutronensterren, zijn de extreem dichte overblijfselen van sterren die als supernova's explodeerden. Ze zenden röntgenfotonen uit in heldere, smalle stralen die als een vuurtoren door de lucht strijken terwijl de sterren draaien. Van grote afstand lijken ze te pulseren, vandaar de naam pulsars.

Een röntgentelescoop aan de buitenkant van het ruimtestation, de Neutronenster Interior Composition Explorer of NICER, verzamelt en registreert de aankomst van röntgenlicht van neutronensterren aan de hemel. Software ingebed in NICER, genaamd de Station Explorer voor X-ray Timing and Navigation Technology of SEXTANT, gebruikt de bakens van pulsars om een ​​GPS-achtig systeem te creëren. Dit begrip, vaak aangeduid als XNAV, zou kunnen zorgen voor autonome navigatie door het hele zonnestelsel en daarbuiten.

"GPS gebruikt nauwkeurig gesynchroniseerde signalen. Pulsaties van sommige neutronensterren zijn zeer stabiel, sommige zelfs zo stabiel als aardse atoomklokken op de lange termijn, waardoor ze op een vergelijkbare manier potentieel nuttig zijn, " zegt Luke Winternitz, een onderzoeker bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland.

De stabiliteit van de pulsen maakt zeer nauwkeurige voorspellingen mogelijk van hun aankomsttijd op elk referentiepunt in het zonnestelsel. Wetenschappers hebben gedetailleerde modellen ontwikkeld die precies voorspellen wanneer een puls zou aankomen, bijvoorbeeld, het middelpunt van de aarde. Timing van de aankomst van de puls naar een detector op een ruimtevaartuig, en dat te vergelijken met wanneer het wordt voorspeld om op een referentiepunt te komen, geeft informatie om ver buiten onze planeet te navigeren.

"Navigatie-informatie die door pulsars wordt geleverd, verslechtert niet door van de aarde weg te gaan, aangezien pulsars door ons Melkwegstelsel worden verspreid, " zegt SEXTANT-teamlid Munther Hassouneh, navigatie technoloog.

"Het verandert effectief de 'G' in GPS van Global naar Galactic, " voegt teamlid Jason Mitchell toe, directeur van de afdeling Advanced Communications and Navigation Technology in NASA's Space Communication and Navigation Program. "Het zou overal in het zonnestelsel kunnen werken en zelfs gerobotiseerde of bemande systemen buiten het zonnestelsel kunnen dragen."

Pulsars kunnen ook in de radioband worden waargenomen, maar in tegenstelling tot radiogolven, Röntgenstraling wordt niet vertraagd door materie in de ruimte. Aanvullend, detectoren voor röntgenstralen kunnen compacter en kleiner zijn dan radioschotels.

Maar omdat röntgenpulsen erg zwak zijn, een systeem moet robuust genoeg zijn om een ​​signaal op te vangen dat voldoende is om te navigeren. NICER's grote verzamelgebied maakt het bijna ideaal voor XNAV-onderzoek. Een toekomstig XNAV-systeem kan kleiner worden gemaakt, handelsgrootte voor een langere ophaaltijd.

"NICER is ongeveer zo groot als een wasmachine, maar je zou de grootte en het volume drastisch kunnen verminderen, " zegt Mitchell. "Bijvoorbeeld, het zou interessant zijn om een ​​XNAV-telescoop in een kleine satelliet te plaatsen die onafhankelijk door de asteroïdengordel zou kunnen navigeren en primitieve zonnestelsellichamen zou kunnen karakteriseren."

Zoals gepubliceerd in een artikel uit 2018, SEXTANT heeft al met succes realtime op pulsar gebaseerde navigatie aan boord van het ruimtestation gedemonstreerd. Het bestudeerde ook het gebruik van pulsars voor tijdwaarneming en kloksynchronisatie en helpt bij het uitbreiden van de catalogus van pulsars die als referentiepunten voor XNAV kunnen worden gebruikt.

Het SEXTANT-team omvat ook Samuel Price, Sean Semper en Wayne Yu bij Goddard; Naval Research Lab-partners Paul Ray en Kent Wood; en NICER hoofdonderzoeker Keith Gendreau en wetenschappelijke leider Zaven Arzoumanian.

Het team bestudeert nu XNAV autonome navigatie op NASA's Gateway-platform als een techniek om bemande missies naar Mars te ondersteunen. Astronauten zouden het mogelijk ook kunnen gebruiken als aanvulling op de navigatiemogelijkheden aan boord als ze op eigen gelegenheid terug naar de aarde moeten komen.

"Gateway's baan rond de maan van ongeveer zes en een halve dag zou ons veel langere tijden naar pulsars laten staren, ', zegt Mitchell. 'Daar komt de handel om de hoek kijken; het instrument is als een emmer en je vult die emmer met genoeg röntgenfotonen om te meten wanneer die puls arriveerde. Je zou een detector kunnen hebben van een fractie van de grootte van NICER."

Dit soort experimenten zouden kosmische vuurtorens kunnen brengen om ruimtevaartuigen naar hun bestemming te leiden, een stap dichter bij de realiteit.