כדי לנווט בכדור ארץ ובסביבתו משתמשים בלוויינים. במה נשתמש לניווט בעומק החלל? בפולסארים

מדענים בנאס"א הדגימו מערכת ניווט שתעבוד גם בעומק החלל. המערכת הזאת מזכירה בתפקודה את מערכת הניווט הלווייני GPS (Global Positioning System), המשמשת אותנו על פני כדור הארץ, אבל במקום לוויינים היא משתמשת בפולסארים – כוכבים רחוקים בעלי מאפיינים ייחודיים. על סמך קרני הרנטגן שמגיעות בזמנים קבועים מפולסארים ברחבי היקום היא יכולה לאתר את מקומנו בחלל גם הרחק מכדור הארץ.

פולסארים הם גופים רחוקים ודחוסים מאוד – בעלי מסה גדולה יותר מהשמש שלנו, אבל בגודל של עשרות קילומטרים בלבד. חלק מהם מסתובבים במהירות גבוהה ופולטים קרינה מהקטבים המגנטיים שלהם. כיוון שהם פולטים לחלל סילון צר של קרינה בעוצמה אדירה, אפשר השתמש בהם כמעין מגדלורים רחוקים שמאירים בפרקי זמן קבועים. חלק מהפולסארים מסתובבים מאות פעמים בשנייה, ואפשר למדוד בדיוק רב מאוד את הפרש הזמנים בין הפעימות שלהם. לכן הם יכולים לשמש שעון מדויק מאוד.

המערכת החדשנית נקראת "Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology", שם ארוך שנועד ליצור את ראשי התיבות "סקסטנט" (SEXTANT), על שם מכשיר הניווט הימי מהמאה ה-17. המערכת פועלת בצורה דומה למערכת ניווט קרקעית, על ידי חישוב המקום היחסי של החללית במרחב לפי מדידת זמן ההגעה של קרינה אלקטרומגנטית מחזורית: שעון מדויק מאוד שחוזר על עצמו בקצב פעימות ידוע מראש.

במערכת ה-GPS, שנמצאת בכל טלפון ומכשיר ניווט מודרני בכדור הארץ, משתמשים בשעונים אטומיים הפועלים על גבי לוויינים שמקיפים את כדור הארץ בגובה של עשרים אלף קילומטר. הלוויינים משדרים גלי רדיו שנושאים מידע על מקומו של הלוויין וזמן השידור שלו. מכשירי הניווט על פני כדור הארץ מחשבים את הפרש הזמנים בין השידור המגיע מלוויינים שונים ומעריכים על פיהם היכן הם נמצאים יחסית ללוויינים. אפשר להשתמש במערכת הזאת גם בחלל, כל עוד מערכת הניווט קרובה מספיק לכדור הארץ וללווייני הניווט שמקיפים אותו.

טווח שגיאה של כמה קילומטרים. מרכיב של מערכת הניווט מותקן מחוץ לתחנת החלל הבינלאומית | צילום: NASA
טווח שגיאה של כמה קילומטרים. מרכיב של מערכת הניווט מותקן מחוץ לתחנת החלל הבינלאומית | צילום: NASA

מודדים זמנים

המערכת החדשה של נאס"א מסוגלת לעבוד באופן עצמאי ללא צורך בלוויינים קיימים. היא מתבססת על טלסקופים המרחפים בחלל, הרגישים לקרינת רנטגן (קרני X), הבנויים ממראות אלכסוניות שמרכזות את קרינת הרנטגן, במקום עדשות זכוכית שיכולות לרכז אור נראה אבל שקופות לחלוטין לקרני רנטגן. בניסוי החדש הוצג אב-טיפוס של מערכת הניווט שעובד באמצעות טלסקופ קרני רנטגן קיים, שמותקן בתחנת החלל הבינלאומית ומשמש בין השאר לחקר פולסארים.

מכיוון שהפולסארים פולטים קרינה, אפשר להשתמש בקרני הרנטגן שיוצאות מהם בתור אות ניווט. טלסקופים בקרבת כדור הארץ מודדים מתי בדיוק מגיעות פעימות מכל פולסאר, ומערכת הניווט יכולה להשוות את זמן ההגעה של הפעימות שהיא מודדת לאלו שמגיעות לכדור הארץ. מכיוון שקרני רנטגן נעות במהירות האור, אפשר לתרגם את ההפרש בזמני ההגעה למרחק. אם משווים את זמני ההגעה של הקרינה מפולסארים שנמצאים בכיוונים שונים יחסית לחללית, אפשר לדעת את המרחק של החללית מכדור הארץ והכיוון שלה לעומתו.

הדיוק של המערכת הזאת מוגבל כיום לטווח שגיאה של כמה קילומטרים בלבד, לעומת מערכת הניווט הלוויינית שיכולה להגיע לדיוק של פחות ממטר. עם זאת, בחלל איננו זקוקים בדרך כלל לרמת דיוק גבוהה יותר, שכן המרחק בין גופים שמימיים נמדד במאות מיליוני קילומטרים, ואף יותר.  

מערכות ניווט כאלה יהיו שימושיות כבר בתוך מערכת השמש, ויחסכו את הצורך בתקשורת רדיו ארוכת טווח ואיטית עם כדור הארץ. מכיוון שהן עצמאיות לחלוטין, הן יהיו חסרות תחליף כשנתחיל לשלוח חלליות מחקר לחלל העמוק, הרחק מכדור הארץ וממערכת השמש. טכנולוגיות כאלה מנסות לפתור את אחת מהבעיות הרבות הקיימות בדרך למיפוי החלל וחקירתו באמצעות גשושיות רובוטיות, ובסופו של דבר גם חלליות מאוישות.

5 תגובות

  • י. גרין

    שאלה

    לכותב המאמר: לא הצלחתי להבין איך המערכת פועלת, ב GPS אני מבין איך זה עובד (בערך) - מקלט הGPS קולט אות מלווין אחד, תוכן האות הוא השעה המדוייקת שמודד הלווין, עכשיו אם אני יודע מה השעה המדוייקת אצלי אני יכול מהפרש הזמנים לדעת לפני כמה זמן (כמה אלפיות שניה) שודר האות מהלווין וזה נותן לי את המרחק שלי מהלווין, ברגע שידוע המרחק שלי מעצם מסויים, נגיד 250 ק''מ, הרי שאני יכול להיות במקום כלשהו על פני כדור ברדיוס 250 ק''מ כשהעצם המדובר -הלווין- נמצא במרכזו, עכשיו נשאר רק לעשות אותו דבר עם לווין נוסף והמיקום שלי יכול להיות רק באחד משתי נקודות המפגש של 2 הכדורים הוירטואלים סביב 2 הלווינים, תעשה את זה עם לווין שלישי ואתה מסודר. אבל לגבי הפולסרים איך זה עובד? כל מה שיש זה הבהוב מהיר ובקצב קבוע איך זה יכול לעזור כדי למצוא את המרחק שלי ??? מה שכן זה יכול לתת לי את כיוון התנועה והמהירות ע''י שינוי בזמן ההבהוב (אפקט דופלר) אבל נשגב מבינתי איך מוצאים מיקום ע''י פולסרים. מישהו, פיתרונים?

  • גיא ניר

    זה נכון שהחישוב במקרה הזה קצת

    זה נכון שהחישוב במקרה הזה קצת יותר מסובך כי הפולסארים לא אומרים לך במפורש את המיקום והזמן שלהם.
    הרעיון הוא שהמחשב של החללית יודע את המיקום של כל הפולסארים הרלוונטיים ויודע בדיוק גבוה את זמן המחזור שלהם.
    ככה אם מתקבל פולס בשניה מסויימת בזמן הטיסה המחשב יודע, ברמה של מיקרו-שניות, מתי הפולס הזה היה אמור להתקבל בכדור הארץ.
    המדידה בחללית תיהיה קצת שונה מהמדידה על כדור הארץ. ההבדל הזה הוא כמו שעון בג'יפיאס.
    לצורך העניין אם אתה יודע שהפולס אמור להגיע לכדור הארץ בשניה 1.0000 אבל מדדת אותו ב 1.00003 אז אתה יודע לתרגם את זה לכדור בגודל 0.00003 שניות-אור. אותו דבר לגבי שלושה פולסארים נוספים, כאשר פולסאר אחד משמש בשביל "לתאם שעונים" ושלושה לקבוע את המיקום במרחב.
    אם יותר לדייק כנראה שאין הפרדה ברורה בין פולסאר אחד שנותן את השעון ושלושה שנותנים את המיקום, אלא שהמחשב של החללית צריך לפתור ארבע משוואות עם ארבעה נעלמים כשכל פולסאר נותן משוואה אחת והנעלמים הם זמן ומרחב.

  • אל

    אתה צודק

    לא הוסבר בכתבה איך זה מתבצע רחוק מכדור הארץ.

  • ניסקו

    וויאג'ר

    האיור החרוט בלוח הזהב על גבי כל אחת מחלליות הוויאג'ר, נושא מפה גלקטית המצביעה על מיקום מערכת השמש באמצעות פולסארים.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתי נבו

    אכן כך.

    אכן כך.