Tänk på scenen: Det är en inte alltför avlägsen framtid och mänskligheten har börjat konstruera kolonier och livsmiljöer över hela vårt solsystem. Vi förbereder oss för att ta det nästa stora steget in i det okända - faktiskt lämnar det mysiga skyddet av Solens heliosfär och vågar ut i det interstella rummet. Innan denna framtid kan hända finns det dock en viktig sak som ofta förbises i diskussioner om detta ämne.
Navigering.
Precis som sjömän en gång använde stjärnorna för att navigera i havet, kanske rymdresande kan använda stjärnorna för att navigera i solsystemet. Förutom att den här gången kommer stjärnorna vi skulle använda vara döda. En specifik klass av neutronstjärnor, kända som pulsars, definieras av de upprepade strålningspulserna som de avger. Tricket, enligt ett nyligen uppsats, kan vara att använda pulsars som en form av interplanetär - och eventuellt till och med interstellär - GPS.
Teorier och idéer om rymdfarkoster är rikligt. Stiftelser som Icarus Interstellar förespråkar starkt utvecklingen av nya framdrivningssystem, med vissa system som VASIMR-thrusterarna verkar ganska lovande. Under tiden förväntas fusionsraketer kunna ta passagerare på en rundtur från jorden till Mars på bara 30 dagar, och forskare på andra håll arbetar med verkliga varp-enheter, inte till skillnad från de vi alla känner och älskar från filmerna.
Interplanetär GPS
Men navigering är lika viktigt. När allt är rymden sinnesmältande stort och mestadels tomt. Utsikterna att gå vilse i tomheten är uppriktigt sagt skrämmande.
Hittills har detta inte riktigt varit ett problem, särskilt eftersom vi bara har skickat en liten handfull hantverk förbi Mars. Som ett resultat använder vi för närvarande en smutsig blandning av tekniker för att hålla reda på rymdfarkoster härifrån på jorden - i huvudsak spåra dem med teleskop medan vi förlitar oss mycket på deras planerade bana. Detta är också bara lika exakt som våra instrument här på jorden, vilket betyder att när ett hantverk blir mer avlägset, blir vår idé om var exakt det blir allt mindre exakt.
Allt är bra och bra när vi bara har några farkoster att spåra, men när rymdresan blir lättare att uppnå och mänskliga passagerare är involverade, kommer att dirigera allt genom Jorden att bli svårare och svårare. Detta är särskilt fallet om vi planerar att lämna gränserna för vår hemstjärna - Voyager 2 är för närvarande över 14 ljus timmar bort, vilket innebär att jordbaserade överföringar tar över en halv dag för att nå den.
Att navigera på jorden med modern teknik är ganska enkelt tack vare den mängd GPS-satelliter vi har i omloppsbana runt om i världen. Dessa satelliter överför ständigt signaler som i sin tur tas emot av den GPS-enhet du kan ha på din bilpanel eller i fickan. Liksom med alla andra elektromagnetiska överföringar går dessa signaler med ljusets hastighet, vilket ger en liten fördröjning mellan när de sändes och när de mottogs. Genom att använda signalerna från fyra eller fler satelliter och justera dessa förseningar kan en GPS-enhet kartlägga din plats på jordens yta med anmärkningsvärd noggrannhet.
Det pulsarnavigeringssystemet som föreslagits av Werner Becker, Mike Bernhardt och Axel Jessner vid Max Planck Institute, fungerar på ett mycket lika sätt med de pulser som avges från pulsars. Genom att känna till ditt rymdskepps initiala position och hastighet, spela in dessa pulser och behandla solen som en fast referenspunkt kan du beräkna din exakta plats i solsystemet.
Att betrakta solen som fixad på detta sätt kallas tekniskt som en tröghetsreferensram, och om du kompenserar för solens rörelse genom vår galax fungerar systemet fortfarande perfekt när du lämnar solsystemet! Allt du behöver är att hålla reda på minst 3 pulsars (helst 10, för att få de mest exakta resultaten), och du kan fastställa din plats med överraskande noggrannhet!
Intressant nog är tanken på att använda pulsars som navigationsfyr hela vägen tillbaka till 1974, särskilt inte länge efter att Carl Sagan hade använt pulsars för att visa jordens placering på plack fäst vid rymdproberna Pioneer 10 och 11. Om Project Daedalus någonsin hade konstruerats, kan det ha varit utrustat med ett system som inte skiljer sig från det som beskrivs här.
Förpackning för långväg
Becker och hans kollegor tittade på de olika typerna av pulsar som är synliga på himlen och valde ut en typ som kallas rotationsdrivna pulsarer som den bästa typen att använda för ett galaktiskt positioneringssystem. I synnerhet är en subtyp av dessa, känd som millisekund pulsars, idealisk. När de är äldre än de flesta pulsarer har de svaga magnetfält, vilket innebär att de tar lång tid att bromsa sina rotationshastigheter - användbart eftersom kraftigt magnetiserade pulsars ibland kan ändra rotationshastigheten utan varning.
Med otaliga pulser att välja mellan vänder sig frågan hur du kan utrusta ditt rymdskepp för att spåra dem. Pulsars är lättast att upptäcka i antingen röntgenstrålar eller radiovågor, så det finns lite val om vilka som kan vara bättre att använda. I allt väsentligt visar det sig vara en fråga om hur stort ditt rymdskepp är.
Mindre fordon, mer besläktade med moderna rymdfarkoster, skulle vara bäst att använda röntgenstrålar för att spåra pulsars. Röntgenspeglar, som de som används i vissa kretsande rymdteleskop, är kompakta och lätta, vilket innebär att ett fåtal skulle kunna läggas till för ett navigationssystem utan att öka den totala massan på farkosten så mycket. De kan ha den lilla nackdelen att de lätt kan skadas av en röntgenkälla som är för ljus, detta skulle inte vara ett problem förutom under vissa olyckliga omständigheter.
Å andra sidan, om du piloterar ett stort rymdskepp mellan planeter eller till och med stjärnor, skulle du antagligen bli bättre med radiovågor. I radiofrekvenser vet vi mycket mer om hur pulsars fungerar, liksom att kunna mäta dem med en högre grad av noggrannhet. Den enda nackdelen med det är att de radioteleskop som du behöver installera på ditt fartyg skulle kräva ett område på minst 150 m². Men då, om du råkar flyga ett rymdskepp, skulle den typen av storlek förmodligen inte göra någon stor skillnad.
Det är intressant att komma ihåg hur astronomer ofta använder analogin med pulsars som "som fyrar" när de förklarar varför de verkar pulsera. Om vi en dag befinner oss som använder dem som verkliga navigationshjälpmedel, kan denna analogi få en helt ny betydelse!
Bilder används här med vänlig tillåtelse från Adrian Mann från Icarus Interstellar, vars fulla galleri kan ses online på bisbos.com
