I århundraden, Fyrar hjälpte sjömän att navigera säkert in i hamnen. Deras ljus svepte över vattnet, skär genom dimma och mörker, guida sjöfarare runt farliga hinder och hålla dem på rätt väg. I framtiden, rymdutforskare kan få liknande vägledning från de stabila signaler som skapas av pulsarer.

Forskare och ingenjörer använder den internationella rymdstationen för att utveckla pulsarbaserad navigering med dessa kosmiska fyrar för att hjälpa till med wayfinding på resor till månen under NASA:s Artemis-program och på framtida mänskliga uppdrag till Mars.

Pulsarer, eller snabbt snurrande neutronstjärnor, är de extremt täta resterna av stjärnor som exploderade som supernovor. De sänder ut röntgenfotoner i ljus, smala strålar som sveper mot himlen som en fyr när stjärnorna snurrar. På långt avstånd verkar de pulsera, därav namnet pulsarer.

Ett röntgenteleskop på utsidan av rymdstationen, Neutronstjärnan Interior Composition Explorer eller NICER, samlar in och tidsstämplar ankomsten av röntgenljus från neutronstjärnor över himlen. Programvara inbäddad i NICER, kallad Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology eller SEXTANT, använder beacons från pulsarer för att skapa ett GPS-liknande system. Detta koncept, ofta kallad XNAV, skulle kunna ge autonom navigering genom hela solsystemet och bortom.

"GPS använder exakt synkroniserade signaler. Pulseringar från vissa neutronstjärnor är mycket stabila, några till och med lika stabila som jordiska atomur på lång sikt, vilket gör dem potentiellt användbara på liknande sätt, säger Luke Winternitz, en forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Stabiliteten hos pulserna tillåter mycket exakta förutsägelser av deras ankomsttid till vilken referenspunkt som helst i solsystemet. Forskare har utvecklat detaljerade modeller som förutsäger exakt när en puls skulle komma till, till exempel, jordens centrum. Att tajma ankomsten av pulsen till en detektor på en rymdfarkost, och jämföra det med när det förutspås komma till en referenspunkt, ger information för att navigera långt utanför vår planet.

"Navigationsinformation som tillhandahålls av pulsarer försämras inte genom att flytta sig bort från jorden eftersom pulsarer är utspridda över hela vår Vintergatans galax, " säger SEXTANT-teammedlem Munther Hassouneh, navigationstekniker.

"Det förvandlar effektivt "G" i GPS från Global till Galactic, " tillägger teammedlemmen Jason Mitchell, chef för Advanced Communications and Navigation Technology Division i NASA:s Space Communication and Navigation Program. "Det kan fungera var som helst i solsystemet och till och med bära robotsystem eller besättningssystem bortom solsystemet."

Pulsarer kan också observeras i radiobandet men, till skillnad från radiovågor, Röntgenstrålar fördröjs inte av materia i rymden. Dessutom, detektorer för röntgenstrålning kan vara mer kompakta och mindre än radioskålar.

Men eftersom röntgenpulserna är mycket svaga, ett system måste vara tillräckligt robust för att samla in en signal som är tillräcklig för att navigera. NICER:s stora insamlingsområde gör den nästan idealisk för XNAV-forskning. Ett framtida XNAV-system kan göras mindre, handelsstorlek för längre insamlingstid.

"NICER är ungefär lika stor som en tvättmaskin, men du kan dramatiskt minska dess storlek och volym, " säger Mitchell. "Till exempel, det skulle vara intressant att passa in ett XNAV-teleskop i en liten satellit som självständigt kan navigera i asteroidbältet och karakterisera primitiva solsystemkroppar."

Som publicerats i en tidning 2018, SEXTANT har redan framgångsrikt demonstrerat realtidspulsarbaserad navigering ombord på rymdstationen. Den studerade också användningen av pulsarer för tidhållning och klocksynkronisering och hjälper till att utöka katalogen av pulsarer att använda som referenspunkter för XNAV.

I SEXTANT-teamet ingår även Samuel Price, Sean Semper och Wayne Yu på Goddard; Naval Research Lab partners Paul Ray och Kent Wood; och UNDERLIGARE huvudforskaren Keith Gendreau och vetenskapsledaren Zaven Arzoumanian.

Teamet studerar nu XNAV autonom navigering på NASA:s Gateway-plattform som en teknik för att stödja besättningsuppdrag till Mars. Astronauter kan också potentiellt använda den för att komplettera navigationskapaciteten ombord om de skulle behöva ta sig tillbaka till jorden på egen hand.

"Gateways bana runt månen på ungefär sex och en halv dag skulle låta oss stirra på pulsarer under mycket längre tider, " Mitchell säger. "Det är där handeln kommer in; instrumentet är som en hink och du fyller den hinken med tillräckligt med röntgenfotoner för att generera en mätning av när den pulsen kom. Du kan ha en detektor som är en bråkdel av storleken NICER."

Den här typen av experiment skulle kunna föra kosmiska fyrar för att guida rymdfarkoster till sina destinationer ytterligare ett steg närmare verkligheten.