I en teknik först, ett team av NASA-ingenjörer har demonstrerat helt autonom röntgennavigering i rymden – en förmåga som skulle kunna revolutionera NASA:s förmåga i framtiden att pilotera robotrymdfarkoster till solsystemets avlägsna delar och bortom.

Demonstrationen, som laget genomförde med ett experiment som heter Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, eller SEXTANT, visade att millisekundspulsarer kunde användas för att exakt bestämma platsen för ett objekt som rör sig med tusentals miles per timme i rymden - liknande hur Global Positioning System, allmänt känd som GPS, ger positionering, navigering, och timingtjänster till användare på jorden med dess konstellation av 24 driftsatelliter.

"Denna demonstration är ett genombrott för framtida utforskning av rymden, " sa SEXTANTs projektledare Jason Mitchell, en flygtekniker vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Som den första att demonstrera röntgennavigering helt autonomt och i realtid i rymden, vi leder nu vägen."

Denna teknik ger ett nytt alternativ för djuprymdnavigering som skulle kunna fungera tillsammans med befintliga rymdfarkostbaserade radio- och optiska system.

Även om det kan ta några år att mogna ett röntgennavigeringssystem som är praktiskt för användning på rymdfarkoster, det faktum att NASA-ingenjörer visade att det kunde göras bådar gott för framtida interplanetära rymdresor. Ett sådant system ger ett nytt alternativ för rymdfarkoster att självständigt bestämma sina platser utanför de för närvarande använda jordbaserade globala navigationsnätverken eftersom pulsarer är tillgängliga i praktiskt taget alla tänkbara flygregimer, från låg jord till djupaste rymden.

Exploatera NICER teleskop

SEXTANT-teknikdemonstrationen, som NASA:s Space Technology Mission Directorate hade finansierat under sitt Game Changing Program, utnyttjade de 52 röntgenteleskop och kiseldriftdetektorer som utgör NASA:s neutronstjärna Interior Composition Explorer, eller SNYGGARE. Sedan dess framgångsrika utplacering som en extern ansluten nyttolast på den internationella rymdstationen i juni, den har tränat sin optik på några av de mest ovanliga föremålen i universum.

"Vi gör väldigt cool vetenskap och använder rymdstationen som en plattform för att utföra den vetenskapen, vilket i sin tur möjliggör röntgennavigering, " sa Goddards Keith Gendreau, huvudutredaren för NICER, som presenterade resultaten i torsdags, 11 januari, vid American Astronomical Society möte i Washington. "Tekniken kommer att hjälpa mänskligheten att navigera och utforska galaxen."

SNYGGARE, ett observatorium ungefär lika stort som en tvättmaskin, studerar för närvarande neutronstjärnor och deras snabbt pulserande kohort, kallas pulsarer. Även om dessa stjärnmärken sänder ut strålning över det elektromagnetiska spektrumet, observation i röntgenbandet ger den största insikten om dessa ovanliga, otroligt täta himmelska föremål, som, om den komprimeras ytterligare, skulle kollapsa helt i svarta hål. Bara en tesked neutronstjärnemateria skulle väga en miljard ton på jorden.

Även om NICER studerar alla typer av neutronstjärnor, SEXTANT-experimentet är fokuserat på observationer av pulsarer. Strålning som kommer från deras kraftfulla magnetfält svepas runt ungefär som en fyr. De smala strålarna ses som ljusglimtar när de sveper över vår siktlinje. Med dessa förutsägbara pulseringar, pulsarer kan ge högprecisionsinformation om timing som liknar atomklocksignalerna som levereras via GPS-systemet.

Veteranens dag demonstration

I SEXTANT-demonstrationen som inträffade under veterandagen 2017, SEXTANT-teamet valde fyra millisekunders pulsarmål—J0218+4232, B1821-24, J0030+0451, och J0437-4715 – och instruerade NICER att orientera sig så att den kunde upptäcka röntgenstrålar i deras svepande ljusstrålar. De millisekundspulsarer som används av SEXTANT är så stabila att deras pulsankomsttider kan förutsägas med en noggrannhet på mikrosekunder i flera år in i framtiden.

Under det två dagar långa experimentet, nyttolasten genererade 78 mätningar för att få tidsdata, som SEXTANT-experimentet matade in i sina specialutvecklade ombordalgoritmer för att autonomt sy ihop en navigeringslösning som avslöjade platsen för NICER i dess omloppsbana runt jorden som en nyttolast för rymdstationen. Teamet jämförde den lösningen med platsdata som samlats in av NICER:s GPS-mottagare ombord.

"För att mätningarna ombord ska vara meningsfulla, vi behövde utveckla en modell som förutspådde ankomsttiderna med hjälp av markbaserade observationer från våra medarbetare vid radioteleskop runt om i världen, sa Paul Ray, en SEXTANT co-utredare med U. S. Naval Research Laboratory. "Skillnaden mellan mätningen och modellförutsägelsen är det som ger oss vår navigeringsinformation."

Målet var att visa att systemet kunde lokalisera NICER inom en radie på 10 mil när rymdstationen rusade runt jorden med något mer än 17, 500 mph. Inom åtta timmar efter att experimentet startade den 9 november, systemet konvergerade på en plats inom det avsedda intervallet på 10 miles och förblev långt under den tröskeln under resten av experimentet, sa Mitchell. Faktiskt, "en god del" av data visade positioner som var exakta inom tre mil.

"Detta var mycket snabbare än de två veckor vi tilldelade experimentet, " sa SEXTANT System Architect Luke Winternitz, som arbetar på Goddard. "Vi hade indikationer på att vårt system skulle fungera, men helgexperimentet visade äntligen systemets förmåga att arbeta självständigt."

Även om det allmänt använda GPS-systemet är exakt till inom några få fot för jordbundna användare, denna noggrannhetsnivå är inte nödvändig när man navigerar till de yttersta delarna av solsystemet där avstånden mellan objekt mäter i miljontals mil. "I rymden, vi hoppas kunna nå noggrannheter på hundratals fot, " sa Mitchell.

Nästa steg och framtiden

Nu när teamet har demonstrerat systemet, Winternitz sa att teamet kommer att fokusera på att uppdatera och finjustera både flyg- och markprogramvara som förberedelse för ett andra experiment senare under 2018. Det slutliga målet, som kan ta år att inse, skulle vara att utveckla detektorer och annan hårdvara för att göra pulsarbaserad navigering lättillgänglig på framtida rymdfarkoster. För att utveckla tekniken för operativ användning, team kommer att fokusera på att minska storleken, vikt, och effektkrav och förbättra instrumentens känslighet. SEXTANT-teamet diskuterar nu också möjlig tillämpning av röntgennavigering för att stödja mänsklig rymdfärd, tillade Mitchell.

Om ett interplanetärt uppdrag till Jupiters eller Saturnus månar var utrustade med en sådan navigeringsanordning, till exempel, den skulle kunna beräkna sin plats autonomt, under långa perioder utan att kommunicera med jorden.

Mitchell sa att GPS inte är ett alternativ för dessa långtgående uppdrag eftersom dess signal försvagas snabbt när man färdas bortom GPS-satellitnätverket runt jorden.

"Denna framgångsrika demonstration fastställer bestämt livskraften hos röntgenpulsarnavigering som en ny autonom navigeringsförmåga. Vi har visat att en mogen version av denna teknik kan förbättra utforskning av djupa rymd var som helst inom solsystemet och bortom, " Sa Mitchell. "Det är en fantastisk teknik först."

NICER är en Astrophysics Mission of Opportunity inom NASA:s Explorers-program, som ger frekventa flygmöjligheter för vetenskapliga undersökningar i världsklass från rymden med hjälp av innovativa, strömlinjeformade och effektiva förvaltningsmetoder inom heliofysik och astrofysikvetenskap. NASA:s Space Technology Mission Directorate finansierar SEXTANT-delen av uppdraget genom sitt Game Changing Development Program.