איך מנווטים בחלל?

קואורדינטות מסייעות לנו להתמצא במרחב. בתרגילי מתמטיקה אנחנו משתמשים בהן כדי לתאר את מקומה של נקודה על גרף (בעזרתם של ערכי X ו-Y). על פני כדור הארץ הן מאפשרות לנו לנווט ולמצוא כל נקודה על המפה על פי קווי רוחב ואורך. בחלל ההתמצאות מסובכת יותר. איך מגדירים קואורדינטות בחלל ואיך מזהים את מקומם של חלליות ולוויינים מחוץ לכדור הארץ?

יש כמה וכמה דרכים להגדיר קואורדינטות בחלל. אסטרונומים נעזרים לתיאור כיפת השמיים בכמה מערכות, שמאפשרות למצוא גופים על פי מקומם.

המערכת הראשונה היא המערכת המשוונית או ה"אקווטורית" (equatorial), שדומה למערכת קווי הרוחב והאורך על פני כדור הארץ, אך "מוקרנת" על כיפת השמיים. קו האורך 0 שלה עובר בראש השמיים (בזנית) בצהרי היום של יום שוויון האביב. קו הרוחב שלה מתחיל מעל קו המשווה של כדור הארץ ועולה במספרים חיובים לכיוון הקוטב הצפוני, ומספרים שליליים בכיוון הקוטב הדרומי. קו הרוחב נקרא "נטייה" (declination) וקו האורך נקרא "עלייה ישרה" (right ascension).

הכוכבים והגלקסיות נמצאים בקואורדינטות קבועות במערכת הזאת, שנעה יחסית לצופה על פני כדור הארץ ומשלימה סיבוב כל 23 שעות ו-56 דקות – משך הזמן שדרוש לכדור הארץ להשלים סיבוב עצמי יחסית לכוכבים. הן מתארות זוויות בשמיים, ללא מרחקים, ומספקות בכך את רוב צרכי האסטרונומים. אחרי הכול, רוב הגופים שבהם אנו צופים רחוקים מאוד מאיתנו ואפשר להתייחס אליהם כאילו היו על "כיפת השמיים" שנמצאת במרחק לא ידוע מאיתנו. כדי לאתר גוף במרחב יש להשלים את מערכת הקואורדינטות על ידי הוספת המרחק מכדור הארץ או מהשמש.

מערכות שימושיות נוספות הן מערכת קואורדינטות על בסיס קו המשווה של השמש, שכיוונה שונה מקו המשווה של כדור הארץ ב-23.5 מעלות, ומערכת קואורדינטות גלקטית שמודדת את הזווית ביחס למרכז הגלקסיה. לכל מערכת כזאת יש להוסיף מדידה של מרחק מכדור הארץ או ממרכזה של מערכת הקואורדינטות, כדי לתאר את מקומו של גוף כלשהו במרחב.

המחשה של ממערכת הקואורדינטות על בסיס זו של כדור הארץ במבט מעל הקוטב הצפוני | מקור: ויקיפדיה, Tfr000

מציאת מקום במרחב

אחרי שהגדרנו מערכת קואורדינטות בחלל, קיימת עדיין הבעיה המסובכת יותר: איך יודעים איפה נמצא גוף מסוים על כיפת השמיים? כשמדובר בגופים שמימיים שאפשר לראות מכדור הארץ, הבעיה פשוטה יחסית: אסטרונומים מודדים את מקומו ביחס לכוכבים שסביבו, ואפשר לחשב את הזווית היחסית של כל גוף.

ב-2013 שוגר הלוויין גאיה שמטרתו העיקרית היא למפות במדויק כמיליארד כוכבים בגלקסיה שלנו. הלווין מצלם בו-זמנית שני אזורים בשמיים בשתי מצלמות ניצבות, ויכול לחשב את הזווית היחסית של כוכבים רבים בדיוק חסר תקדים.

מדידת המרחק לכוכבים ולגלקסיות היא בעיה מאתגרת בפני עצמה, שדורשת שילוב של כמה אמצעים. את המרחק לכוכבים קרובים, שנמצאים כמה מאות או אלפי שנות אור מאיתנו, אפשר למדוד על פי הפרלקסה: שינוי המקום היחסי של כוכב עקב תנועת כדור הארץ סביב השמש.

עבור כוכבים רחוקים יותר אפשר להיעזר בצבירי כוכבים או בכוכבים קפאידיים (Cepheids), שעוצמת האור שלהם משתנה באופן מחזורי, מכיוון שיש קשר בין זמן המחזור של פעימתם לבין הבהירות המוחלטת שלהם. לאיתור המרחק של גלקסיות אפשר להשתמש בסופרנובות מסוג Ia, שבהירותן המקסימלית קשורה למשך הזמן שנדרש להן להתבהר, או במדידת האור שמגיע מהן, שאורך הגל שלו מתארך (נהיה אדום יותר) ככל שהגלקסיה רחוקה יותר. קיימים אמצעים נוספים, ואפשר לשלב בין כמה אמצעים כדי להגדיל את הדיוק של המדידה.

ניווט חלליות

חלליות וגשושיות בלתי מאוישות צריכות לדעת את מקומן במרחב וגם את הכיוון שהן פונות אליו (אוריינטציה). בקרבת כדור הארץ קל לזהות את שני הדברים באמצעות איתור השמש וכדור הארץ ובעזרת לווייני GPS שמאפשרים למצוא את מקומו של גוף גם בחלל, כל עוד מרחקו מכדור הארץ אינו עולה על כמה מיליוני קילומטרים.

גופים רחוקים יותר, כגון חלליות שנשלחות לכוכבי לכת אחרים במערכת השמש, זקוקים לאמצעים אחרים לקביעת מקומם. זיהוי האוריינטציה היא בעיה קלה יחסית: אפשר לקבוע את הזווית המדויקת של החללית באמצעות טלסקופים קטנים המצויים בה, שמאפשרים לזהות קבוצות כוכבים ידועות – בדומה לדרך שבה ניווטו באוקיינוסים בכדור הארץ במשך שנים רבות. כדי לגלות את המקום של חללית במרחב צריך בדרך כלל תקשורת עם כדור הארץ.

טלסקופים גדולים על פני כדור הארץ יכולים לזהות את קווי האורך והרוחב של חללית, ותקשורת הרדיו עם החללית מספקת בדיוק רב את המרחק מכדור הארץ. פשוט מודדים את הזמן שנדרש לגשושית להחזיר אות רדיו (שנע במהירות האור), ואת הזמן הזה מתרגמים למרחק מכדור הארץ. שילוב המרחק, הזווית והמסלול המשוער של החללית, בהשפעת הכבידה של השמש ושאר הפלנטות, מאפשר לחשב את מקום החללית בדיוק רב.

קיימים אמצעים נוספים שמשתלבים במערך החיישנים והבקרה של כל חללית, כגון גירוסקופים שמודדים את תאוצת החללית ומחשבים את המקום על פי סכום התאוצות והמהירויות לאורך המסלול. לאחרונה גם הציעו מדענים מנאס"א מערכת ניווט עצמאית שמבוססת על מדידה של קרני רנטגן שמגיעות מכוכבים שנקראים פולסארים. כוכבים כאלה פולטים קרני רנטגן בקצב ידוע מראש ומאפשרים לנווט בחלל בדומה למערכת הניווט הלווייני (GPS) בכדור הארץ.