(NASA, ESA und das Hubble Heritage Team/STScI/AURA) Wir schreiben das Jahr 2021 und wir müssen uns endlich keine Sorgen mehr machen, dass unsere Raumsonde im interstellaren Raum verloren geht.
Der Astronom Coryn A.L. Bailer-Jones hat anhand der Positionen und des sich verändernden Lichts von Sternen in der Nähe und in der Ferne die Machbarkeit einer autonomen Flugnavigation für Raumfahrzeuge demonstriert, die weit über das Sonnensystem hinaus reisen.
Die interstellare Raumnavigation scheint kein unmittelbares Problem zu sein. Allerdings sind bereits im letzten Jahrzehnt von Menschen geschaffene Instrumente in den interstellaren Raum vorgedrungen, wie zunächst Voyager 1 (im Jahr 2012) und Voyager 2 ( im Jahr 2018 ) überquerte die Grenze des Sonnensystems, die als Heliopause bekannt ist.
Es ist nur eine Frage der Zeit, bis sich New Horizons ihnen anschließt, gefolgt von weiteren Untersuchungen in der Zukunft. Je weiter sich diese Raumschiffe von ihrem Heimatplaneten entfernen, desto länger dauert die Kommunikation mit der Erde.
New Horizons ist derzeit fast 14 Lichtstunden von der Erde aus, was bedeutet, dass es 28 Stunden dauert, ein Signal zu senden und eine Antwort zu erhalten; kein unmögliches Tracking- und Navigationssystem, aber ein unhandliches.
Bei immer größeren Entfernungen wird dies jedoch nicht mehr zuverlässig funktionieren.
„Bei der Reise zu den nächsten Sternen werden die Signale viel zu schwach sein und die Lichtlaufzeiten werden in der Größenordnung von Jahren liegen.“ Bailer-Jones schrieb in seiner Arbeit , das derzeit auf dem Preprint-Server arXiv verfügbar ist und dort wartet Peer-Review aus der Astronomie-Community.
„Ein interstellares Raumschiff muss daher autonom navigieren und anhand dieser Informationen entscheiden, wann Kurskorrekturen vorgenommen oder Instrumente eingeschaltet werden müssen.“ „Ein solches Raumschiff muss in der Lage sein, seine Position und Geschwindigkeit ausschließlich anhand von Messungen an Bord zu bestimmen.“
Bailer-Jones, der am Max-Planck-Institut für Astronomie in Deutschland arbeitet, ist nicht der Erste, der das denkt. Die NASA hat daran gearbeitet Navigation durch Pulsare , wobei die regelmäßigen Pulsationen der toten Sterne als Grundlage für ein galaktisches GPS genutzt werden. Diese Methode hört sich ziemlich gut an, kann aber bei größeren Entfernungen aufgrund der Verzerrung des Signals durch das interstellare Medium fehlerhaft sein.
Mit einem Katalog von Sternen konnte Bailer-Jones zeigen, dass es möglich ist, die Koordinaten eines Raumfahrzeugs in sechs Dimensionen – drei im Raum und drei in der Geschwindigkeit – mit hoher Genauigkeit zu berechnen, basierend auf der Art und Weise, wie sich die Positionen dieser Sterne ändern Der Standpunkt des Raumfahrzeugs.
„Wenn sich ein Raumschiff von der Sonne entfernt, ändern sich die beobachteten Positionen und Geschwindigkeiten der Sterne aufgrund von Parallaxe, Aberration und dem Doppler-Effekt im Vergleich zu denen in einem erdbasierten Katalog.“ er schrieb .
„Indem wir nur die Winkelabstände zwischen Sternpaaren messen und diese mit dem Katalog vergleichen, können wir über einen iterativen Vorwärtsmodellierungsprozess auf die Koordinaten des Raumfahrzeugs schließen.“
Parallaxe Und Abweichung Beide beziehen sich auf die scheinbare Änderung der Position von Sternen aufgrund der Erdbewegung. Der Doppler-Effekt ist die Änderung der Wellenlänge des Lichts eines Sterns, je nachdem, ob er sich dem Beobachter nähert oder sich von ihm wegbewegt.
Da alle diese Effekte die relative Position der beiden Körper betreffen, wird ein dritter Körper (das Raumschiff) an einer anderen Position eine andere Anordnung der Sterne sehen.
Eigentlich ist es ziemlich schwierig, die Entfernungen zu Sternen zu bestimmen, aber wir werden immer besser. Der Gaia-Satellit führt eine laufende Mission durch die Milchstraße dreidimensional abzubilden und hat uns die bislang genaueste Karte der Galaxie geliefert.
Bailer-Jones testete sein System anhand eines simulierten Sternenkatalogs und dann an nahegelegenen Sternen aus dem 1997 zusammengestellten Hipparcos-Katalog bei relativistischen Raumfahrzeuggeschwindigkeiten. Obwohl dies nicht so genau ist wie bei Gaia, ist das nicht besonders wichtig – das Ziel bestand darin, zu testen, ob das Navigationssystem funktionieren kann.
Mit nur 20 Sternen kann das System die Position und Geschwindigkeit eines Raumfahrzeugs auf 3 genau bestimmen Astronomische Einheiten und 2 Kilometer pro Sekunde (1,24 Meilen pro Sekunde). Diese Genauigkeit kann umgekehrt zur Quadratwurzel der Anzahl der Sterne verbessert werden; Bei 100 Sternen betrug die Genauigkeit nur noch 1,3 Astronomische Einheiten und 0,7 Kilometer pro Sekunde.
Es gibt einige Probleme, die behoben werden müssten. Das System hat weder Sternbinärdateien noch die Instrumentierung berücksichtigt. Ziel war es zu zeigen, dass es machbar ist, als ersten Schritt zur Verwirklichung.
Es ist sogar möglich, dass es zusammen mit verwendet werden könnte Drücken Sie Navigation, so dass die beiden Systeme möglicherweise in der Lage sind, die Fehler des jeweils anderen zu minimieren. Und dann ist der Himmel im wahrsten Sinne des Wortes die Grenze.
Das Papier ist verfügbar unter arXiv .