Астроном создал систему навигации для межзвездных космических путешествий

Наступил 2021 год, и нам, наконец, не нужно так сильно беспокоиться о том, что наш космический корабль потеряется в межзвездном пространстве.

Используя положение и смещающийся свет звезд, как близких, так и далеких, астроном Корин А.Л. Бейлер-Джонс продемонстрировал возможность автономной навигации «на лету» для космических аппаратов, путешествующих далеко за пределы Солнечной системы.

Межзвездная космическая навигация может не казаться насущной проблемой. Однако уже в последнее десятилетие созданные человеком инструменты вошли в межзвездное пространство, когда «Вояджер-1» (в 2012 г.) и «Вояджер-2» (в 2018 г.) пересекли границу Солнечной системы, известную как гелиопауза.

Это только вопрос времени, когда к ним присоединится New Horizons. По мере того как эти космические корабли улетают все дальше и дальше от своей родной планеты, связь с Землей занимает все больше и больше времени.

New Horizons в настоящее время находится почти в 14 световых часах от Земли, что означает, что для отправки сигнала и получения ответа требуется 28 часов.

«При путешествии к ближайшим звездам сигналы будут слишком слабыми, а время прохождения света будет порядка нескольких лет», — писал Бейлер-Джонс в своей статье, которая в настоящее время доступна на сервере препринтов arXiv, где она ожидает экспертной оценки со стороны сообщество астрономов.

«Поэтому межзвездный космический корабль должен будет двигаться автономно и использовать эту информацию, чтобы решить, когда вносить поправки на курс или включать инструменты. Такой космический корабль должен иметь возможность определять свое положение и скорость, используя только бортовые измерения».

Бейлер-Джонс, работающий в Институте астрономии Макса Планка в Германии, не первый, кто думает об этом. НАСА работает над навигацией с помощью пульсаров, используя регулярные пульсации мертвых звезд в качестве основы для галактического GPS. Этот метод звучит неплохо, но он может быть подвержен ошибкам на больших расстояниях из-за искажения сигнала межзвездной средой.

С помощью каталога звезд Бейлер-Джонс смог показать, что можно определить координаты космического корабля в шести измерениях — трех в космосе и трех по скорости — с высокой точностью, основываясь на том, как положение этих звезд меняется от точка зрения космического корабля.

«По мере того, как космический корабль удаляется от Солнца, наблюдаемые положения и скорости звезд будут меняться относительно таковых в каталоге Земли из-за параллакса, аберрации и эффекта Доплера», — написал он.

«Измеряя только угловые расстояния между парами звезд и сравнивая их с каталогом, мы можем вывести координаты космического корабля с помощью итеративного процесса прямого моделирования».

Параллакс и аберрация относятся к видимому изменению положения звезд из-за движения Земли. Эффект Доплера — это изменение длины волны света от звезды в зависимости от того, приближается ли она к наблюдателю или от него.

Поскольку все эти эффекты связаны с относительным положением двух тел, третье тело (космический корабль), находящееся в другом положении, будет видеть другое расположение звезд.

На самом деле довольно сложно определить расстояния до звезд, но мы становимся намного лучше. Спутник Gaia выполняет текущую миссию по нанесению на карту Млечного Пути в трех измерениях и предоставил нам самую точную карту галактики на сегодняшний день.

Бейлер-Джонс протестировал свою систему, используя смоделированный звездный каталог, а затем на близлежащих звездах из каталога Hipparcos, составленного в 1997 году, на релятивистских скоростях космического корабля. Хотя это не так точно, как у Gaia, это не так уж важно — цель заключалась в том, чтобы проверить, может ли навигационная система работать.

Измеряя всего 20 звезд, система может определять положение и скорость космического корабля с точностью до 3 астрономических единиц и 2 километров в секунду. Эта точность может быть улучшена обратно пропорционально квадратному корню из числа звезд; со 100 звездами точность возрастает до 1,3 астрономических единиц и 0,7 км в секунду.

Статья доступна на arXiv.

Источники: Фото: (NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team/STScI/AURA)