Нарешті, нам не потрібно турбуватися, що наш космічний корабель загубиться в міжзоряному просторі. Використовуючи положення і світло зірок астроном Корін Бейлер-Джонс продемонстрував можливість автономної навігації «на льоту» для космічних апаратів, які подорожують далеко за межі Сонячної системи.
Міжзоряна космічна навігація зараз може не здаватися великою проблемою. Однак уже в останні десятиліття створені людиною пристрої увійшли в міжзоряний простір, коли перші «Вояджер-1» (у 2012) і «Вояджер-2» (у 2018) перетнули кордон Сонячної системи, відомий як геліопауза.
Це тільки питання часу, коли до них приєднається New Horizons (американська місія з вивчення Плутона і його супутника). Але, чим далі ці космічні апарати від рідної планети, тим більше часу займає зв’язок із Землею. New Horizons наразі знаходиться майже в 14 світлових годинах від Землі, що означає, що для відправки сигналу і отримання відповіді потрібно 28 годин – однак на більшій відстані ця система вже не буде такою надійною. При подорожі до найближчих зірок сигнали будуть занадто слабкими, а час проходження світла буде вже декілька років.
Космічні апарати
Таким чином, міжзоряний космічний апарат повинен буде рухатися автономно і використовувати наявну інформацію, щоб вирішити, коли вносити поправки на курс або включати інструменти. Такий космічний апарат повинен мати можливість визначати своє положення і швидкість, використовуючи тільки бортові вимірювання.
Бейлер-Джонс, який працює в Інституті астрономії Макса Планка в Німеччині, не перший, хто думає про це. NASA, наприклад, працює над навігацією за допомогою пульсарів, використовуючи регулярні пульсації мертвих зірок як основу для галактичного GPS. Цей метод звучить непогано, але він може бути схильний до помилок на великих відстанях через спотворення сигналу міжзоряним середовищем.
За допомогою каталогу зірок Бейлер-Джонс зміг показати, що можна визначити координати космічного апарату в шести вимірах – трьох в космосі і трьох по швидкості – з високою точністю, ґрунтуючись на тому, як положення цих зірок змінюється від точки зору космічного апарату.
У міру того, як космічний апарат віддаляється від Сонця, спостережувані розташування і швидкості зірок будуть змінюватися щодо цих розташувань в каталозі Землі через паралакс, аберації і ефект Доплера. Вимірюючи тільки кутові відстані між парами зірок і порівнюючи їх з каталогом, можна вивести координати космічного апарату за допомогою ітеративного процесу прямого моделювання.
Паралакс і аберація належать до видимої зміни положення зірок з-за руху Землі. Ефект Доплера – це зміна довжини хвилі світла від зірки в залежності від того, чи наближається вона до спостерігача або від нього. Оскільки всі ці ефекти пов’язані з відносним становищем двох тіл, третє тіло (космічний апарат), що знаходиться в іншому положенні, буде бачити інше розташування зірок.
Насправді досить складно визначити відстані до зірок, але супутник Gaia виконує поточну місію по нанесенню на карту Чумацького Шляху в трьох вимірах і вже надав нам найточнішу карту галактики на сьогодні.
Наявні каталоги зірок
Бейлер-Джонс перевірив свою систему, використовуючи змодельований зоряний каталог, а потім на прилеглих зірках з каталогу Hipparcos, складеного в 1997 році, на релятивістських швидкостях космічного апарату. Хоча це не так точно, як Gaia, це не так уже й важливо – мета полягала в тому, щоб перевірити, чи може навігаційна система працювати.
Маючи всього 20 зірок, система може визначати положення і швидкість космічного апарату з точністю до 3 астрономічних одиниць і 2 км/секунду. Зі 100 зірками точність впала до 1,3 астрономічних одиниць і 0,7 км/секунд.
Є деякі нюанси, які необхідно усунути. Мета полягала в тому, щоб показати, що це можливо, як перший крок до її реалізації. Можливо навіть, що її можна буде використовувати в тандемі з пульсарною навігацією NASA, щоб дві системи могли мінімізувати недоліки одна одної. І тоді межею буде буквально небо.
