Los conjuntos de espejos de NICER concentran los rayos X en los detectores de silicio para recopilar datos que sondean la composición interior de las estrellas de neutrones. incluidos los que parecen parpadear con regularidad, llamados púlsares. Crédito:Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA / Keith Gendreau
Primero en tecnología, un equipo de ingenieros de la NASA ha demostrado una navegación de rayos X totalmente autónoma en el espacio, una capacidad que podría revolucionar la capacidad de la NASA en el futuro para pilotar naves espaciales robóticas a los confines del sistema solar y más allá.
La manifestación, que el equipo llevó a cabo con un experimento llamado Station Explorer para tecnología de navegación y sincronización de rayos X, o SEXTANTE, mostró que los púlsares de milisegundos podrían usarse para determinar con precisión la ubicación de un objeto que se mueve a miles de millas por hora en el espacio, similar a cómo el Sistema de Posicionamiento Global, ampliamente conocido como GPS, proporciona posicionamiento, navegación, y servicios de cronometraje para los usuarios de la Tierra con su constelación de 24 satélites operativos.
"Esta demostración es un gran avance para la futura exploración del espacio profundo, "dijo Jason Mitchell, gerente de proyectos de SEXTANT, un tecnólogo aeroespacial en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland. "Como el primero en demostrar la navegación por rayos X de forma totalmente autónoma y en tiempo real en el espacio, ahora estamos liderando el camino ".
Esta tecnología proporciona una nueva opción para la navegación en el espacio profundo que podría funcionar en conjunto con los sistemas ópticos y de radio basados en naves espaciales existentes.
Aunque podría llevar algunos años madurar un sistema de navegación por rayos X que sea práctico para su uso en naves espaciales del espacio profundo, el hecho de que los ingenieros de la NASA hayan demostrado que se puede hacer es un buen augurio para futuros viajes espaciales interplanetarios. Dicho sistema proporciona una nueva opción para que las naves espaciales determinen de manera autónoma sus ubicaciones fuera de las redes de navegación global basadas en la Tierra que se utilizan actualmente porque los púlsares son accesibles en prácticamente todos los regímenes de vuelo imaginables. desde la Tierra baja hasta el espacio más profundo.
Explotación de telescopios NICER
La demostración de la tecnología SEXTANT, que la Dirección de Misión de Tecnología Espacial de la NASA había financiado bajo su Programa de Cambio de Juego, aprovechó los 52 telescopios de rayos X y los detectores de deriva de silicio que componen el Explorador de composición interior de estrellas de neutrones de la NASA, o NICER. Desde su despliegue exitoso como carga útil adjunta externa en la Estación Espacial Internacional en junio, ha enfocado su óptica en algunos de los objetos más inusuales del universo.
"Estamos haciendo una ciencia muy interesante y usamos la estación espacial como una plataforma para ejecutar esa ciencia, que a su vez permite la navegación por rayos X, "dijo Keith Gendreau de Goddard, el investigador principal de NICER, quien presentó los hallazgos el jueves, 11 de enero en la reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Washington. "La tecnología ayudará a la humanidad a navegar y explorar la galaxia".
Esta animación muestra cómo NICER escanea el cielo y destaca las características principales de la misión. Crédito:Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA
NICER, un observatorio del tamaño de una lavadora, actualmente está estudiando estrellas de neutrones y su cohorte de pulsaciones rápidas, llamados púlsares. Aunque estas rarezas estelares emiten radiación a través del espectro electromagnético, observar en la banda de rayos X ofrece la mejor comprensión de estos inusuales, objetos celestes increíblemente densos, cuales, si se comprime más, colapsaría completamente en agujeros negros. Solo una cucharadita de materia de estrella de neutrones pesaría mil millones de toneladas en la Tierra.
Aunque NICER está estudiando todo tipo de estrellas de neutrones, el experimento SEXTANT se centra en observaciones de púlsares. La radiación que emana de sus poderosos campos magnéticos se desplaza como un faro. Los rayos estrechos se ven como destellos de luz cuando atraviesan nuestra línea de visión. Con estas pulsaciones predecibles, Los púlsares pueden proporcionar información de sincronización de alta precisión similar a las señales del reloj atómico suministradas a través del sistema GPS.
Demostración del Día de los Veteranos
En la demostración de SEXTANT que tuvo lugar durante el feriado del Día de los Veteranos en 2017, el equipo SEXTANT seleccionó objetivos de púlsar de cuatro milisegundos:J0218 + 4232, B1821-24, J0030 + 0451, y J0437-4715 — y ordenó a NICER que se orientara para que pudiera detectar rayos X dentro de sus amplios haces de luz. Los púlsares de milisegundos utilizados por SEXTANT son tan estables que sus tiempos de llegada de pulsos pueden predecirse con precisiones de microsegundos durante años en el futuro.
Durante el experimento de dos días, la carga útil generó 78 mediciones para obtener datos de tiempo, que el experimento SEXTANT incorporó a sus algoritmos integrados especialmente desarrollados para unir de forma autónoma una solución de navegación que reveló la ubicación de NICER en su órbita alrededor de la Tierra como una carga útil de la estación espacial. El equipo comparó esa solución con los datos de ubicación recopilados por el receptor GPS integrado de NICER.
"Para que las medidas a bordo sean significativas, necesitábamos desarrollar un modelo que predijera los tiempos de llegada utilizando observaciones terrestres proporcionadas por nuestros colaboradores en radiotelescopios de todo el mundo, "dijo Paul Ray, co-investigador de SEXTANT con el Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos. "La diferencia entre la medición y la predicción del modelo es lo que nos da nuestra información de navegación".
El objetivo era demostrar que el sistema podía ubicar a NICER dentro de un radio de 10 millas mientras la estación espacial aceleraba alrededor de la Tierra a poco más de 17, 500 mph. Dentro de las ocho horas posteriores al inicio del experimento el 9 de noviembre, el sistema convergió en una ubicación dentro del rango objetivo de 10 millas y permaneció muy por debajo de ese umbral durante el resto del experimento, Dijo Mitchell. De hecho, "una buena parte" de los datos mostró posiciones que tenían una precisión de tres millas.
"Esto fue mucho más rápido que las dos semanas que asignamos para el experimento, "dijo el arquitecto del sistema SEXTANT, Luke Winternitz, que trabaja en Goddard. "Teníamos indicios de que nuestro sistema funcionaría, pero el experimento del fin de semana finalmente demostró la capacidad del sistema para funcionar de forma autónoma ".
Esta ilustración muestra la misión NICER en funcionamiento a bordo de la Estación Espacial Internacional. Crédito:Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA
Aunque el sistema GPS de uso omnipresente tiene una precisión de unos pocos pies para los usuarios con destino a la Tierra, este nivel de precisión no es necesario cuando se navega a los confines del sistema solar, donde las distancias entre los objetos se miden en millones de millas. "En el espacio profundo, esperamos alcanzar precisiones de cientos de pies, "Dijo Mitchell.
Próximos pasos y el futuro
Ahora que el equipo ha demostrado el sistema, Winternitz dijo que el equipo se centrará en actualizar y ajustar el software tanto de vuelo como de tierra en preparación para un segundo experimento más adelante en 2018. El objetivo final, que pueden tardar años en darse cuenta, sería desarrollar detectores y otro hardware para hacer que la navegación basada en púlsar esté fácilmente disponible en futuras naves espaciales. Para avanzar en la tecnología para uso operativo, los equipos se centrarán en reducir el tamaño, peso, y requisitos de potencia y mejora de la sensibilidad de los instrumentos. El equipo de SEXTANT ahora también está discutiendo la posible aplicación de la navegación por rayos X para respaldar los vuelos espaciales tripulados, Añadió Mitchell.
Si una misión interplanetaria a las lunas de Júpiter o Saturno estuviera equipada con un dispositivo de navegación de este tipo, por ejemplo, podría calcular su ubicación de forma autónoma, durante largos períodos de tiempo sin comunicarse con la Tierra.
Mitchell dijo que el GPS no es una opción para estas misiones lejanas porque su señal se debilita rápidamente a medida que uno viaja más allá de la red de satélites GPS alrededor de la Tierra.
"Esta exitosa demostración establece firmemente la viabilidad de la navegación de púlsares de rayos X como una nueva capacidad de navegación autónoma. Hemos demostrado que una versión madura de esta tecnología podría mejorar la exploración del espacio profundo en cualquier lugar dentro del sistema solar y más allá," ", Dijo Mitchell." Es una tecnología asombrosa en primer lugar ".
NICER es una misión de oportunidad de astrofísica dentro del programa Explorers de la NASA, que ofrece oportunidades de vuelos frecuentes para investigaciones científicas de clase mundial desde el espacio utilizando innovadores, enfoques de gestión racionalizados y eficientes dentro de las áreas de las ciencias de la heliofísica y la astrofísica. La Dirección de Misión de Tecnología Espacial de la NASA financia el componente SEXTANT de la misión a través de su Programa de Desarrollo de Cambio de Juego.
