Problem komunikacji Ziemia-pojazd kosmiczny
Niestety, prędkość światła w skali kosmosu jest bardzo, bardzo powolna. W tej chwili sonda New Horizons znajduje się około 14 godzin świetlnych z dala od Ziemi, co oznacza, że musi minąć aż 28 godzin, by ta otrzymała odpowiedź na sygnał wysłany z Ziemi – na przykład sygnał związany z nawigacją. Im większa odległość pojazdu od naszej planety, tym więcej czasu potrzebne jest na wymianę danych między nimi, co jest niesamowicie upierdliwe. Podczas podróży do innych układów planetarnych coś takiego nie będzie akceptowalne, zwłaszcza w przypadku pojazdów załogowych.
„W trakcie podróży do najbliższych gwiazd sygnały będą o wiele za słabe. Poza tym, będą docierać do Ziemi latami.”, napisał w swojej pracy naukowej autor wspomnianej koncepcji – Coryn A.L. Bailer-Jones. „Międzygwiezdny statek kosmiczny będzie zatem musiał nawigować autonomicznie i wykorzystywać te informacje, by decydować, kiedy wprowadzać korekty kursu lub włączać poszczególne instrumenty. Taki pojazd musi być w stanie określić swoją pozycję i prędkość z użyciem wyłącznie instrumentów znajdujących się na pokładzie.”
Rzecz jasna, takie instytucje jak NASA nie od dziś pracują nad projektami systemów nawigacyjnych dla pojazdów międzygwiezdnych. Niemniej jednak, naukowcy z tej agencji proponowali na przykład, by taki system bazował na obserwacjach pulsarów, które regularnie wysyłają w przestrzeń kosmiczną swoje sygnały. Problem w tym, że te sygnały mogą być zniekształcane przez ośrodek międzygwiazdowy.
Lokalizacja statku kosmicznego a pozycje gwiazd
Coryn A.L. Bailer-Jones wykazał, że możliwe jest obliczenie współrzędnych statku kosmicznego w sześciu wymiarach – trzech przestrzeni i trzech prędkości – z dużą dokładnością, w oparciu o pozycje gwiazd we Wszechświecie. Dokładniej mówiąc, pojazd dokonywałby takich obliczeń w oparciu o zmiany pozycji tych gwiazd dokonujące się z jego perspektywy.
„Gdy pojazd oddala się od Słońca, obserwowane pozycje i prędkości gwiazd zmieniają się w stosunku do tego, co widzimy z Ziemi – za sprawą paralaksy, aberracji i efektu Dopplera.”, wyjaśnia astronom. „Mierząc tylko odległości kątowe między parami gwiazd i porównując je do katalogu ziemskiego, możemy otrzymać współrzędne statku za pośrednictwem iteracyjnego procesu modelowania z wyprzedzeniem.”
Zarówno paralaksa, jak i aberracja odnoszą się do pozornej zmiany położenia gwiazd za sprawą ruchu Ziemi. Efekt Dopplera wynika zaś ze zmiany długości fali świata emitowanego przez gwiazdę w zależności od tego, że czy zdaje się, że ta zbliża się do obserwatora, czy od niego oddala. Jako że wszystkie te efekty wynikają ze względnego położenia w przestrzeni dwóch ciał, trzecie ciało (statek kosmiczny) znajdujące się w innym punkcie w kosmosie, zobaczy inny obraz Wszechświata.
System, który może się sprawdzić
Ustalanie pozycji gwiazd w kosmosie nie jest prostym zadaniem. Niemniej, dzięki coraz ambitniejszym misjom, takim jak misja sondy Gaia, otrzymujemy coraz dokładniejsze mapy Drogi Mlecznej. Coryn A.L. Bailer-Jones przeprowadził odpowiednie symulacje i przetestował swój system w oparciu o nieco przestarzały katalog gwiazd, z 1997 roku, ale nie ma to większego znaczenia. Celem było tylko i wyłącznie pokazanie, że jego metoda nawigacji działa.
Bazując na pozycjach zaledwie 20 gwiazd, system Bailera-Jonesa może określić położenie i prędkość statku kosmicznego z dokładnością do 3 jednostek astronomicznych i 2 kilometrów na sekundę. Ta dokładność rośnie wraz z liczbą uwzględnianych gwiazd. Przy 100 gwiazdach mówimy już na przykład o wartościach 1,3 jednostki astronomicznej i 0,7 kilometra na sekundę.
Oczywiście, w przyszłości metodę można by jeszcze dopracować. To między innymi dlatego, że podczas testów system nie brał pod uwagę gwiazd podwójnych. Kto wie, może kiedyś statki kosmiczne rzeczywiście będą nawigować z jego pomocą.
Źródło: arXiv, fot. tyt. NASA Goddard