(NASA, ESA un Habla mantojuma komanda/STScI/AURA) Ir 2021. gads, un mums beidzot nav tik ļoti jāuztraucas par to, ka mūsu kosmosa kuģis pazūd starpzvaigžņu telpā.
Izmantojot zvaigžņu atrašanās vietas un mainīgo gaismu gan tuvu, gan tālu, astronoms Korins A.L. Bailers-Džonss ir pierādījis autonomas, lidojuma laikā notiekošas navigācijas iespējamību kosmosa kuģiem, kas ceļo tālu aiz Saules sistēmas.
Navigācija starpzvaigžņu kosmosā var nešķist tūlītēja problēma. Tomēr jau pēdējā desmitgadē starpzvaigžņu telpā ir nonākuši cilvēku radīti instrumenti, kā pirmie Voyager 1 (2012. gadā) un Voyager 2 (2018. gadā) šķērsoja Saules sistēmas robežu, kas pazīstama kā heliopauze.
Tas ir tikai laika jautājums, kad viņiem pievienosies New Horizons, kam nākotnē sekos papildu zondes. Tā kā šie kosmosa kuģi ceļo arvien tālāk no savas dzimtās planētas, saziņa ar Zemi aizņem arvien ilgāku laiku.
Pašlaik ir New Horizons gandrīz 14 gaismas stundas no Zemes, kas nozīmē, ka signāla nosūtīšanai un atbildes saņemšanai nepieciešamas 28 stundas; nevis neiespējama izsekošanas un navigācijas sistēma, bet gan neglīta.
Tomēr arvien lielākā attālumā tas vairs nebūs uzticams.
'Ceļojot uz tuvākajām zvaigznēm, signāli būs pārāk vāji, un vieglais ceļojuma laiks būs noteikts gadiem.' Bailers-Džounss rakstīja savā dokumentā , kas pašlaik ir pieejams pirmsdrukas serverī arXiv, kur tas gaida salīdzinošā pārskatīšana no astronomijas kopienas.
'Tāpēc starpzvaigžņu kosmosa kuģim būs jāpārvietojas autonomi un jāizmanto šī informācija, lai izlemtu, kad veikt kursa korekcijas vai ieslēgt instrumentus. Šādam kosmosa kuģim ir jāspēj noteikt tā atrašanās vieta un ātrums, izmantojot tikai borta mērījumus.
Bailers-Džounss, kurš strādā Maksa Planka Astronomijas institūtā Vācijā, nav pirmais, kas par to domā. NASA ir strādājusi pienavigācija ar pulsāriem, izmantojot mirušo zvaigžņu regulāro pulsāciju kā galaktikas GPS pamatu. Šī metode izklausās diezgan lieliski, taču tā var būt pakļauta kļūdām lielākos attālumos, jo starpzvaigžņu vide izkropļo signālu.
Izmantojot zvaigžņu katalogu, Beilers-Džounss spēja parādīt, ka ir iespējams precīzi noteikt kosmosa kuģa koordinātas sešās dimensijās — trīs kosmosā un trīs ātrumā —, pamatojoties uz veidu, kādā mainās šo zvaigžņu novietojums no kosmosa kuģa skatījums.
'Kosmosa kuģim attālinoties no Saules, paralakses, aberācijas un Doplera efekta dēļ novērotās zvaigžņu pozīcijas un ātrumi mainīsies attiecībā pret tiem, kas ir uz Zemes balstītā katalogā.' viņš uzrakstīja .
'Izmērot tikai leņķiskos attālumus starp zvaigžņu pāriem un salīdzinot tos ar katalogu, mēs varam secināt kosmosa kuģa koordinātas, izmantojot iteratīvu uz priekšu vērstu modelēšanas procesu.'
Parallakse un aberācija abi attiecas uz acīmredzamām izmaiņām zvaigžņu novietojumā Zemes kustības dēļ. The Doplera efekts ir zvaigznes gaismas viļņa garuma izmaiņas, pamatojoties uz to, vai tā, šķiet, virzās tuvāk novērotājam vai attālinās no tā.
Tā kā visi šie efekti ietver abu ķermeņu relatīvās pozīcijas, trešais ķermenis (kosmosa kuģis) citā pozīcijā redzēs atšķirīgu zvaigžņu izvietojumu.
Patiesībā ir diezgan grūti noteikt attālumus līdz zvaigznēm, taču mēs kļūstam daudz labāki. Gaia satelīts veic pastāvīgu misijulai kartētu Piena ceļu trīs dimensijās, un ir devis mums līdz šim visprecīzāko galaktikas karti.
Beilers-Džounss pārbaudīja savu sistēmu, izmantojot simulētu zvaigžņu katalogu, un pēc tam ar tuvējām zvaigznēm no Hipparcos kataloga, kas tika apkopots 1997. gadā, ar relatīvistisku kosmosa kuģu ātrumu. Lai gan tas nav tik precīzs kā Gaia, tas nav īpaši svarīgi - mērķis bija pārbaudīt, vai navigācijas sistēma var darboties.
Izmantojot tikai 20 zvaigznes, sistēma var noteikt kosmosa kuģa pozīciju un ātrumu ar precizitāti līdz 3 astronomiskās vienības un 2 kilometri sekundē (1,24 jūdzes sekundē). Šo precizitāti var uzlabot apgriezti zvaigžņu skaita kvadrātsaknei; ar 100 zvaigznēm precizitāte samazinājās līdz 1,3 astronomiskām vienībām un 0,7 kilometriem sekundē.
Ir dažas domstarpības, kas būtu jānovērš. Sistēma nav ņēmusi vērā zvaigžņu bināros failus, kā arī nav ņēmusi vērā instrumentus. Mērķis bija parādīt, ka to var izdarīt, kā pirmo soli ceļā uz tā aktualizāciju.
Ir pat iespējams, ka to varētu izmantot kopā ar nospiediet navigācija, lai abas sistēmas varētu samazināt viena otras trūkumus. Un tad debesis, burtiski, ir robeža.
Papīrs ir pieejams uz arXiv .