Специалисты американского космического агентства НАСА провели первые успешные испытания новой рентгеновской системы автономной навигации, которая в будущем может стать своего рода «космической GPS». Рентгеновская навигационная система состоит из двух независимых частей, оборудование которых установлено сейчас на борту Международной космической станции. Обе этих части контролируют сигналы далеких пульсаров, нейтронных звезд, вращающихся с большой скоростью, которые постоянно излучают периодические сигналы различного диапазона, включая и диапазон рентгеновского излучения.

«Мы используем пульсары в качестве опорных маяков для того, чтобы определить точное местоположение станции в космосе» — рассказывает Кейт Жандро (Keith Gendreau), научный руководитель проекта NICER (Neutron-star Interior Composition Explorer), — «Их сигналы сопоставим с «пульсом» атомных часов, на основе которых построена вся работа системы GPS».

Сейчас в качестве космической навигационной системы используются сети дальней космической связи NASA Deep Space Network (DSN) и European Space Tracking (ESTRACK). Космические аппараты передают сигналы на антенны этих сетей, установленные в разных уголках земного шара, и по параметрам этих сигналов вычисляется траектория и скорость полета космического аппарата. В некоторых случаях для уточнения данных используются снимки звездного неба, сделанные камерами этих аппаратов. Но в любом случае использование сетей DSN и ESTRACK требует постоянного контакта космического аппарата с Землей.

Оборудование эксперимента NICER, наряду с оборудование родственного эксперимента под названием SEXTENT (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology), было доставлено на борт космической станции в июне 2017 года грузовым космическим кораблем Dragon компании SpaceX. После установки и первоначального тестирования оборудование обоих экспериментов было включено в работу в ноябре прошлого года. И за время работы оборудования ученые показали, что сигналы так называемых миллисекундных пульсаров, пульсаров, излучающих сигналы, длительностью в несколько миллисекунд, могут использоваться для достаточно точного определения местоположения в пространстве космических аппаратов, летящих со скоростью в тысячи километров в час.

В настоящее время астрономам известно около 2 тысяч пульсаров, миллисекундными из которых являются только 200. Помимо рентгеновских и радиочастотных импульсов эти пульсары излучают и видимый свет, который регистрируется телескопом, входящим в состав инструмента SEXTENT. Комбинация сигналов различной природы, плюс их математическая обработка при помощи сложнейших программных алгоритмов позволят вычислять местоположение космического аппарата не только в Солнечной системе, но и далеко за ее пределами.

Инструмент NICER имеет размер, сопоставимый с размером стиральной машинки. На нем установлено 52 отдельных рентгеновских телескопа и кремниевые датчики, позволяющие отслеживать дрейф нейтронных звезд и пульсаров. В ноябре 2017 года инструмент NICER следил за пятью известными пульсарами в течение нескольких дней. На основе этих данных инструмент SEXTENT выполнял процедуру триангуляции, позволяющей точно определить точку орбиты, в которой находилась космическая станция в данный момент. И получаемые таким образом координаты сравнивались с данными о местоположении, определенном при помощи спутников системы GPS.

Сравнение данных позволило выяснить, что система NICER вычисляла положение станции в пределах 10-километрового радиуса и такая точность сохранялась на протяжении всего эксперимента. Может показаться, что 10 километров — это маленькая точность, однако система, основанная на сетях DSN и ESTRACK, обеспечивает еще меньшую точность определения положения. И в ближайшем будущем исследователи, путем совершенствования аппаратного и программного обеспечения, планирую повысить точность работы системы «рентгеновского GPS» до 5 километров.

«Мы надеемся, что результаты нашей работы позволят людям в будущем исследовать все уголки нашей галактики» — рассказывает Кейт Жандро, — «Основываясь на данных «галактической GPS», люди будут всегда точно знать, где они находятся в данное время. А это, в свою очередь, станет фактором, во многом определяющим успех первых экспедиций в дальнее космическое пространство».