Per secoli, i fari aiutavano i marinai a navigare in sicurezza nel porto. Le loro luci spazzarono l'acqua, tagliando la nebbia e l'oscurità, guidando i marinai intorno a ostacoli pericolosi e tenendoli sulla retta via. Nel futuro, gli esploratori spaziali possono ricevere una guida simile dai segnali costanti creati dalle pulsar.

Scienziati e ingegneri stanno utilizzando la Stazione Spaziale Internazionale per sviluppare la navigazione basata su pulsar utilizzando questi fari cosmici per assistere con l'orientamento durante i viaggi sulla Luna nell'ambito del programma Artemis della NASA e nelle future missioni umane su Marte.

pulsar, o stelle di neutroni in rapida rotazione, sono i resti estremamente densi di stelle esplose come supernove. Emettono fotoni a raggi X in condizioni luminose, raggi stretti che spazzano il cielo come un faro mentre le stelle girano. Da una grande distanza sembrano pulsare, da qui il nome pulsar.

Un telescopio a raggi X all'esterno della stazione spaziale, la stella di neutroni Interior Composition Explorer o PIACEVOLE, raccoglie e registra l'arrivo della luce a raggi X dalle stelle di neutroni nel cielo. Software integrato in NICER, chiamato Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology o SEXTANT, sta usando i beacon delle pulsar per creare un sistema simile al GPS. Questo concetto, spesso indicato come XNAV, potrebbe fornire una navigazione autonoma in tutto il sistema solare e oltre.

"Il GPS utilizza segnali sincronizzati con precisione. Le pulsazioni di alcune stelle di neutroni sono molto stabili, alcuni anche stabili come gli orologi atomici terrestri a lungo termine, che li rende potenzialmente utili in modo simile, "dice Luke Winternitz, un ricercatore presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland.

La stabilità degli impulsi consente previsioni molto accurate del loro tempo di arrivo a qualsiasi punto di riferimento nel sistema solare. Gli scienziati hanno sviluppato modelli dettagliati che prevedono con precisione quando arriverà un impulso, Per esempio, il centro della Terra. Cronometrare l'arrivo dell'impulso a un rivelatore su un veicolo spaziale, e confrontandolo con quando si prevede di arrivare a un punto di riferimento, fornisce informazioni per navigare ben oltre il nostro pianeta.

"Le informazioni di navigazione fornite dalle pulsar non si degradano allontanandosi dalla Terra poiché le pulsar sono distribuite in tutta la nostra galassia della Via Lattea, " afferma Munther Hassouneh, membro del team SEXTANT, tecnico della navigazione.

"Trasforma efficacemente la 'G' del GPS da Global a Galactic, " aggiunge il membro del team Jason Mitchell, direttore della divisione Advanced Communications and Navigation Technology nel Space Communication and Navigation Program della NASA. "Potrebbe funzionare ovunque nel sistema solare e persino trasportare sistemi robotici o con equipaggio oltre il sistema solare".

Le pulsar possono essere osservate anche nella banda radio ma, a differenza delle onde radio, I raggi X non sono ritardati dalla materia nello spazio. Inoltre, i rilevatori di raggi X possono essere più compatti e più piccoli delle antenne radio.

Ma poiché gli impulsi a raggi X sono molto deboli, un sistema deve essere sufficientemente robusto per raccogliere un segnale sufficiente per la navigazione. L'ampia area di raccolta di NICER lo rende quasi ideale per la ricerca XNAV. Un futuro sistema XNAV potrebbe essere ridotto, dimensione commerciale per tempi di raccolta più lunghi.

"PIACEVOLE ha all'incirca le dimensioni di una lavatrice, ma potresti ridurne drasticamente le dimensioni e il volume, " dice Mitchell. "Per esempio, sarebbe interessante inserire un telescopio XNAV in un piccolo satellite in grado di navigare in modo indipendente nella fascia degli asteroidi e caratterizzare i corpi primitivi del sistema solare".

Come pubblicato in un documento del 2018, SEXTANT ha già dimostrato con successo la navigazione basata su pulsar in tempo reale a bordo della stazione spaziale. Ha inoltre studiato l'uso delle pulsar per il rilevamento dell'ora e la sincronizzazione dell'orologio e sta aiutando ad espandere il catalogo delle pulsar da utilizzare come punti di riferimento per XNAV.

Il team di SEXTANT comprende anche Samuel Price, Sean Semper e Wayne Yu a Goddard; I partner del Naval Research Lab Paul Ray e Kent Wood; e il ricercatore principale di NICER Keith Gendreau e il responsabile scientifico Zaven Arzoumanian.

Il team ora sta studiando la navigazione autonoma XNAV sulla piattaforma Gateway della NASA come tecnica per supportare le missioni con equipaggio su Marte. Gli astronauti potrebbero anche utilizzarlo per integrare le capacità di navigazione a bordo nel caso in cui dovessero tornare sulla Terra da soli.

"L'orbita di Gateway intorno alla Luna di circa sei giorni e mezzo ci permetterebbe di fissare le pulsar per tempi molto più lunghi, " Mitchell dice. "Ecco dove entra in gioco il commercio; lo strumento è come un secchio e stai riempiendo quel secchio con abbastanza fotoni a raggi X per generare una misurazione di quando è arrivato quell'impulso. Potresti avere un rilevatore una frazione delle dimensioni di PI BELLO."

Questi tipi di esperimenti potrebbero portare i fari cosmici per guidare i veicoli spaziali verso le loro destinazioni un altro passo avanti verso la realtà.