Befürchten Sie, sich im interstellaren Raum zu verirren? Eine neue Möglichkeit, den Weg nach Hause zu finden, es ist wirklich gut

Neues interstellares Navigationssystem

Künstlerische Darstellung der Voyager-Sonde auf dem Weg in den interstellaren Raum (Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA/JPL)

Das Universum ist riesig und grenzenlos. Wenn Menschen die Tiefen der Milchstraße erforschen wollen, ist ein genaues und zuverlässiges Navigationssystem unerlässlich. Jemand hat eine neue Idee vorgeschlagen, um interstellare Navigation mit der einfachsten möglichen Technologie zu erreichen, nämlich durch die Verwendung von Sternpaaren zum Aufbau eines Referenzsystems auf Galaxienebene.

Interplanetare Reisen innerhalb des Sonnensystems basieren auf einem auf der Erde basierenden Navigationssystem. Der Boden sendet Radiowellen an das Raumfahrzeug, das Raumfahrzeug empfängt und sendet Echos und berechnet dann anhand der Verzögerungszeit zwischen den beiden Signalen die Entfernung zwischen dem Raumfahrzeug und der Erde. Gleichzeitig können wir durch unsere Echtzeitüberwachung des Raumfahrzeugs dessen Position in der Luft ermitteln. Durch die Kombination dieser beiden Informationen (der Position des Raumfahrzeugs in der Luft und seiner Entfernung von der Erde) können wir die genaue Position des Raumfahrzeugs im Sonnensystem ermitteln und diese Daten an das Raumfahrzeug übermitteln.

Die Schätzung der Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs hängt vom Dopplereffekt der Radiowellen ab. Überall auf der Erde sind Signalempfänger verteilt, und die Echos der Raumfahrzeuge erreichen diese Empfänger zu unterschiedlichen Zeiten. Indem wir die Daten verschiedener Empfänger messen und mit den Positionsparametern des Raumfahrzeugs kombinieren, erhalten wir einen vollständigen Satz sechsdimensionaler Daten, einschließlich der dreidimensionalen Koordinaten und der dreidimensionalen Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs.

Diese Methode funktioniert nur aufgrund des Radarnetzwerks auf der Erde, das ständig Signale sendet und empfängt. Allerdings kann es nur Raumfahrzeugen innerhalb des Sonnensystems die Navigation ermöglichen und ist mit den Voyager-Zwillingssonden, die das Sonnensystem bereits verlassen haben, kaum zurechtgekommen.

Raumfahrzeuge, die zwischen Sternen reisen, werden neue autonome Navigationssysteme benötigen. Theoretisch könnten dies die Taktimpulse und Gyroskope des Raumfahrzeugs selbst leisten. Doch bei interstellaren Reisen, die Jahrzehnte dauern können, kann eine winzige Fehlkalkulation oder eine unsichere Entscheidung dazu führen, dass das Raumschiff von seinem Kurs abkommt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Pulsare zur Positionsbestimmung zu verwenden. Die ständige Rotation eines Pulsars führt dazu, dass er in einem rhythmischen Muster flackert oder pulsiert. Da jeder Pulsar eine andere Rotationsperiode hat, wirken sie wie Leuchttürme im Weltraum und leiten Raumfahrzeuge. Leider funktioniert diese Methode nur in einem kleinen Bereich des äußeren Sonnensystems, da interstellarer Staub unsere Messungen der Rotationsperiode des Pulsars stört. Wenn diese Sterne erst einmal durch Messfehler verwirrt sind, gehen wir zwischen den unzähligen Sternen verloren.

Peter Pan Positionierungsmethode: der zweite Stern von rechts

Wie oben erwähnt, benötigen wir eine genaue, zuverlässige und einfache Methode, um interstellaren Raumfahrzeugen bei der Bestimmung ihrer Positionen zu helfen. In einem Vorabdruck-Artikel in der Zeitschrift Nature wurde eine Lösung vorgeschlagen: die direkte Navigation anhand der Sterne.

Die Technologie basiert auf dem alten Prinzip der Parallaxe. Halten Sie einen Finger vor Ihre Nase, schließen Sie jeweils ein Auge und schauen Sie mit dem anderen Auge auf Ihren Finger. es scheint hin und her zu schwanken. Dies ist die Parallaxe, die durch den Wechsel des Blickwinkels entsteht. Wenn Sie ein entferntes Objekt auf die gleiche Weise beobachten, werden Sie feststellen, dass die Schwingung viel kleiner ist.

Basierend auf dem Parallaxenprinzip sind Wissenschaftler in der Lage, die Entfernung jedes Sterns von der Erde zu messen. Auch am Himmel schwebende Raumfahrzeuge können dieses Prinzip zur Positionierung nutzen. Vor dem Start der Raumsonde können wir die Positionsinformationen aller bekannten Sterne in nahegelegenen Galaxien vorladen. Während sich die Raumsonde mit zunehmender Geschwindigkeit vom Sonnensystem entfernt, berechnet das System die relativen Positionen der Sterne Paar für Paar. Zu diesem Zeitpunkt scheinen die Sterne, die näher am Raumfahrzeug liegen, eine größere Positionsverschiebung aufzuweisen, während die Positionen der weiter entfernten Sterne relativ fest sind.

Durch Vergleich der in Echtzeit gemessenen Daten mit den auf der Erde gemessenen Originaldaten kann das Raumfahrzeug diese Sterne identifizieren und die Entfernung zwischen dem Raumfahrzeug und jedem Stern berechnen, wodurch genaue dreidimensionale Koordinaten erhalten werden.

Bestimmung der Schiffsgeschwindigkeit: relativistische Effekte

Die Berechnung der Geschwindigkeit eines Raumfahrzeugs ist etwas komplizierter und basiert auf einem seltsamen Verzerrungseffekt, der in der speziellen Relativitätstheorie erwähnt wird. Wenn Sie sich schnell genug bewegen, ist die Lichtgeschwindigkeit konstant, sodass die Objekte, die Sie sehen, nicht dort sind, wo sie tatsächlich sind. Genauer gesagt wird ihre scheinbare Position in Richtung Ihrer Bewegung nach vorne verschoben. Dies ist der Aberrationseffekt, und wir können ihn auf der Erde beobachten. Während sich die Erde um die Sonne dreht, können wir auf der Erde beobachten, dass die Positionen der Sterne leicht hin und her schwanken.

Raumfahrzeuge müssten mit hoher Geschwindigkeit reisen, sonst würde die interstellare Reise Tausende von Jahren statt Jahrzehnte dauern. Solange die Geschwindigkeit hoch genug ist, kann das Raumfahrzeug den Aberrationseffekt messen und wissen, welcher Stern nicht dort ist, wo er theoretisch sein sollte, und wie stark sich seine Position verschoben hat. Auf diese Weise kann die dreidimensionale Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs berechnet werden.

Durch Parallaxenmessung erhält das Raumfahrzeug in Echtzeit sechsdimensionale Koordinaten, die ihm sagen, wo es sich befindet und wohin es fliegt. Die Frage ist, wie genau sind die mit dieser Methode erhaltenen Koordinaten? Laut dem Artikel liegt der Koordinatenfehlerbereich innerhalb von drei astronomischen Einheiten und der Geschwindigkeitsfehlerbereich unter der Annahme, dass die Raumsonde 20 Sterne mit einer Genauigkeit von einer Bogensekunde messen kann (eine Maßeinheit, bei der 1 Bogensekunde = 1/60 Bogenminute und 1 Bogenminute = 1/60 Grad).

Eine AE ist die durchschnittliche Entfernung von der Sonne zur Erde, die 150 Millionen Kilometer beträgt. Ein Fehler von drei AE entspricht also etwa 450 Millionen Kilometern. Dies mag nach einem riesigen Unterschied klingen, doch im Vergleich zu den interstellaren Entfernungen von Tausenden astronomischen Einheiten ist ein solcher Fehler im Grunde vernachlässigbar.

Darüber hinaus können wir weit mehr als 20 Sterne genau lokalisieren. Wir haben Daten von Hunderten Millionen Sternen in das Raumfahrzeugsystem geladen. Es scheint, dass die Positionierung des Raumfahrzeugs eine beträchtliche Genauigkeit erreichen kann.

Jetzt muss nur noch ein Raumschiff gebaut werden, das zwischen den Sternen reisen kann.

VON: Paul Sutter

FY: Renee

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