Futuros viajantes espaciais podem seguir faróis cósmicos

Uma imagem de NICER no exterior da estação espacial com um dos painéis solares da estação em segundo plano. 

Crédito: NASA

Durante séculos, os faróis ajudaram os marinheiros a navegar com segurança para o porto. Suas luzes varreram a água, cortando a névoa e a escuridão, guiando os marinheiros em torno de obstáculos perigosos e mantendo-os no caminho certo. No futuro, os exploradores espaciais podem receber orientações semelhantes dos sinais constantes criados pelos pulsares.

Cientistas e engenheiros estão usando a Estação Espacial Internacional para desenvolver uma navegação baseada em pulsar usando esses faróis cósmicos para ajudar a encontrar rotas para viagens à Lua sob o programa Artemis da NASA e em futuras missões humanas a Marte.

Pulsares, ou estrelas de nêutrons que giram rapidamente , são os restos extremamente densos de estrelas que explodiram como supernovas. Eles emitem fótons de raios X em feixes estreitos e brilhantes que varrem o céu como um farol enquanto as estrelas giram. De uma grande distância, eles parecem pulsar, daí o nome pulsares.

Um telescópio de raios X no exterior da estação espacial, o Interior Composition Explorer da estrela de nêutrons ou NICER, coleta e marca a data e hora da chegada da luz de raios X das estrelas de nêutrons no céu. O software incorporado ao NICER, chamado Station Explorer para Tecnologia de Navegação e Timing de Raios-X ou SEXTANT, está usando os faróis dos pulsares para criar um sistema semelhante ao GPS. Esse conceito, geralmente chamado de XNAV, poderia fornecer navegação autônoma em todo o sistema solar e além.

"O GPS usa sinais precisamente sincronizados. As pulsações de algumas estrelas de nêutrons são muito estáveis, algumas até tão estáveis ​​quanto os relógios atômicos terrestres a longo prazo, o que as torna potencialmente úteis de maneira semelhante", diz Luke Winternitz, pesquisador do Goddard Space da NASA. Centro de voo em Greenbelt, Maryland.

A estabilidade dos pulsos permite previsões altamente precisas de sua hora de chegada a qualquer ponto de referência no sistema solar. Os cientistas desenvolveram modelos detalhados que prevêem com precisão quando um pulso chegaria, por exemplo, ao centro da Terra. Cronometrar a chegada do pulso a um detector em uma espaçonave e compará-lo a quando é previsto que chegue a um ponto de referência fornece informações para navegar muito além do nosso planeta.

"As informações de navegação fornecidas pelos pulsares não se degradam ao se afastar da Terra, uma vez que os pulsares são distribuídos por toda a Via Láctea", diz Munther Hassouneh, membro da equipe SEXTANT, tecnólogo em navegação.

"Transforma efetivamente o 'G' do GPS da Global para a Galactic", acrescenta o membro da equipe Jason Mitchell, diretor da Divisão de Tecnologia de Comunicação e Navegação Avançada do Programa de Navegação e Comunicação Espacial da NASA. "Ele poderia funcionar em qualquer lugar do sistema solar e até transportar sistemas robóticos ou tripulados além do sistema solar".

Pulsares também podem ser observados na banda de rádio, mas, diferentemente das ondas de rádio, os raios X não são retardados pela matéria no espaço. Além disso, os detectores de raios-X podem ser mais compactos e menores que as antenas de rádio.

Porém, como os pulsos de raios X são muito fracos, um sistema deve ser robusto o suficiente para coletar um sinal suficiente para navegar. A grande área de coleta do NICER o torna quase ideal para pesquisas com XNAV. Um futuro sistema XNAV poderia ser menor, negociando tamanho por mais tempo de coleta.

Representação de um pulsar ou estrela de nêutrons que gira rapidamente. Emite fótons de raios X ou partículas de radiação em feixes estreitos e brilhantes que varrem o céu como um farol enquanto a estrela gira. 

Crédito: Bill Saxton, NRAO / AUI / NSF

"NICER tem aproximadamente o tamanho de uma máquina de lavar, mas você pode reduzir drasticamente seu tamanho e volume", diz Mitchell. "Por exemplo, seria interessante encaixar um telescópio XNAV em um pequeno satélite que pudesse navegar independentemente no cinturão de asteróides e caracterizar os corpos primitivos do sistema solar".

Conforme publicado em um artigo de 2018, o SEXTANT já demonstrou com sucesso a navegação baseada em pulsar em tempo real a bordo da estação espacial. Ele também estudou o uso de pulsares para controle de tempo e sincronização de clock e está ajudando a expandir o catálogo de pulsares para usar como pontos de referência para o XNAV.

A equipe SEXTANT também inclui Samuel Price, Sean Sempre e Wayne Yu na Goddard; Os parceiros do Naval Research Lab, Paul Ray e Kent Wood; e Keith Gendreau, pesquisador principal do NICER, e Zaven Arzoumanian, líder científico.

A equipe agora estuda a navegação autônoma do XNAV na plataforma Gateway da NASA como uma técnica para apoiar missões tripuladas a Marte. Os astronautas também poderiam usá-lo para complementar os recursos de navegação a bordo , caso precisassem voltar à Terra por conta própria.

"A órbita de Gateway em torno da Lua de aproximadamente seis dias e meio nos deixaria encarar os pulsares por muito mais tempo", diz Mitchell. "É aí que entra o comércio; o instrumento é como um balde e você está enchendo o balde com fótons de raios-X suficientes para gerar uma medição de quando esse pulso chegou. Você poderia ter um detector com uma fração do tamanho de NICER".

Esses tipos de experimentos poderiam levar os faróis cósmicos a guiar naves espaciais para seus destinos  um passo mais perto da realidade.

Fonte - Phys.org

Esta animação mostra como o NICER varre o céu e destaca os principais recursos da missão.

Créditos: Goddard Space Flight Center da NASA