Durante séculos, os faróis ajudaram os marinheiros a navegar com segurança no porto. Suas luzes varreram a água, cortando neblina e escuridão, guiar os navegantes em torno de obstáculos perigosos e mantê-los no caminho certo. No futuro, exploradores espaciais podem receber orientação semelhante dos sinais constantes criados por pulsares.

Cientistas e engenheiros estão usando a Estação Espacial Internacional para desenvolver navegação baseada em pulsar usando esses faróis cósmicos para auxiliar na localização em viagens à Lua sob o programa Artemis da NASA e em futuras missões humanas a Marte.

Pulsares, ou estrelas de nêutrons girando rapidamente, são os restos extremamente densos de estrelas que explodiram como supernovas. Eles emitem fótons de raios-X no brilho, feixes estreitos que varrem o céu como um farol enquanto as estrelas giram. De uma grande distância, eles parecem pulsar, daí o nome de pulsares.

Um telescópio de raios-X no exterior da estação espacial, o explorador de composição de interiores estrela de nêutrons ou NICER, coleta e marca a hora da chegada da luz de raios-X de estrelas de nêutrons no céu. Software embutido no NICER, chamado de Explorador de Estação para Tecnologia de Navegação e Tempo de Raios-X ou SEXTANT, está usando os faróis de pulsares para criar um sistema parecido com o de GPS. Este conceito, frequentemente referido como XNAV, poderia fornecer navegação autônoma em todo o sistema solar e além.

"O GPS usa sinais sincronizados com precisão. As pulsações de algumas estrelas de nêutrons são muito estáveis, alguns até tão estáveis ​​quanto os relógios atômicos terrestres a longo prazo, o que os torna potencialmente úteis de maneira semelhante, "diz Luke Winternitz, um pesquisador do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland.

A estabilidade dos pulsos permite previsões altamente precisas de seu tempo de chegada a qualquer ponto de referência no sistema solar. Os cientistas desenvolveram modelos detalhados que predizem precisamente quando um pulso chegaria a, por exemplo, o centro da Terra. Cronometrando a chegada do pulso a um detector em uma espaçonave, e comparando isso a quando está previsto chegar a um ponto de referência, fornece informações para navegar muito além do nosso planeta.

"As informações de navegação fornecidas pelos pulsares não se degradam com o afastamento da Terra, uma vez que os pulsares são distribuídos por toda a nossa galáxia, a Via Láctea, "diz o membro da equipe do SEXTANT Munther Hassouneh, tecnólogo de navegação.

"Ele efetivamente transforma o 'G' no GPS de Global para Galáctico, "adiciona o membro da equipe Jason Mitchell, diretor da Divisão de Tecnologia de Navegação e Comunicações Avançadas do Programa de Comunicação e Navegação Espacial da NASA. "Ele poderia funcionar em qualquer lugar do sistema solar e até mesmo transportar sistemas robóticos ou tripulados para além do sistema solar."

Pulsares também podem ser observados na banda de rádio, mas, ao contrário das ondas de rádio, Os raios X não são atrasados ​​pela matéria no espaço. Adicionalmente, detectores de raios-X podem ser mais compactos e menores do que antenas parabólicas.

Mas porque os pulsos de raios-X são muito fracos, um sistema deve ser robusto o suficiente para coletar um sinal suficiente para navegar. A grande área de coleção do NICER torna-o quase ideal para a pesquisa XNAV. Um futuro sistema XNAV poderia ser menor, tamanho de negociação para maior tempo de coleta.

"NICER é quase do tamanho de uma máquina de lavar, mas você pode reduzir drasticamente seu tamanho e volume, "Mitchell diz." Por exemplo, seria interessante encaixar um telescópio XNAV em um pequeno satélite que pudesse navegar independentemente no cinturão de asteróides e caracterizar corpos primitivos do sistema solar. "

Conforme publicado em um artigo de 2018, SEXTANT já demonstrou com sucesso a navegação baseada em pulsar em tempo real a bordo da estação espacial. Ele também estudou o uso de pulsares para cronometragem e sincronização de relógio e está ajudando a expandir o catálogo de pulsares para serem usados ​​como pontos de referência para o XNAV.

A equipe SEXTANT também inclui Samuel Price, Sean Semper e Wayne Yu em Goddard; Os parceiros do Naval Research Lab, Paul Ray e Kent Wood; e o investigador principal do NICER, Keith Gendreau, e o líder científico Zaven Arzoumanian.

A equipe agora está estudando a navegação autônoma do XNAV na plataforma Gateway da NASA como uma técnica para apoiar missões tripuladas a Marte. Os astronautas também podem usá-lo para complementar as capacidades de navegação a bordo, caso precisem voltar à Terra por conta própria.

"A órbita do Portal em torno da Lua de aproximadamente seis dias e meio nos permitiria olhar para os pulsares por muito mais tempo, "Mitchell diz." É aí que entra o comércio; o instrumento é como um balde e você está enchendo esse balde com fótons de raios-X suficientes para gerar uma medição de quando o pulso chegou. Você poderia ter um detector com uma fração do tamanho do NICER. "

Esses tipos de experimentos podem trazer faróis cósmicos para guiar a espaçonave a seus destinos, mais um passo mais perto da realidade.