Pulsars vormen navigatiesysteem voor ruimtevaartuigen

Pulsars zijn te gebruiken als ijkpunten waarmee ruimtevaartuigen hun positie kunnen bepalen. Dat blijkt uit een experiment van NASA dat eind vorig jaar plaatsvond en waarvan nu de resultaten naar buiten komen. Met behulp van de röntgenpulsen kan een meetapparaat op het International Space Station (ISS) met een nauwkeurigheid van 4,8 km zijn positie bepalen.

Een neutronenster is het extreem dichte overblijfsel van een zware ster die na een supernova in elkaar is geklapt. Sommige neutronensterren zwiepen met grote regelmaat een elektromagnetisch veld om zich heen, te vergelijken met hoe een vuurtoren zijn lichtbundel ronddraait. Deze neutronensterren worden pulsars genoemd. De tekening rechts geeft een indruk van zo'n pulsar.

Bekijk je een pulsar van grote afstand, dan komt er om de zoveel tijd een korte flits röntgenstraling binnen. De periode van pulsars ligt tussen de microseconden en de seconden. Bovendien zijn deze hemellichamen extreem stabiel. Met andere woorden: je kunt ervan op aan dat een bepaalde pulsar lange tijd precies dezelfde frequentie blijft vertonen.

Wasmachine

Dankzij deze eigenschap is een pulsar te gebruiken als klok, bijvoorbeeld in een systeem om je positie mee te bepalen in de ruimte, zo bedachten ze bij NASA. Die zette het project SEXTANT (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology) op, een naam die verwijst naar het meetinstrument dat eeuwen geleden op zeilschepen werd gebruikt om de positie te bepalen aan de hand van de sterren. Het doel van dit project is om aan te tonen dat je met een paar pulsars in het millisecondenregime de positie van een ruimtevaartuig kunt bepalen dat zich voortbeweegt met duizenden kilometers per uur.

Centraal hierbij staat een meetinstrument ter grootte van een wasmachine (zie de openingsfoto), dat zich sinds juni 2017 op het International Space Station bevindt: de Neutron star Interior Composition Explorer (NICER); zie ook de animatie hieronder. Die bestaat uit 52 röntgentelescopen en -detectoren waarmee astronomen exotische objecten in de ruimte bestuderen, zoals neutronensterren. Voor dit project ging de interesse van NASA alleen uit naar de pulserende variant, de pulsar.

Binnen acht uur gelukt

Op 9 november vorig jaar ging het experiment van start. De ingenieurs van NASA hadden vier pulsars uitgekozen en de NICER-telescopen hierop gericht. Dit betekent dat het instrument achtereenvolgens bundels röntgenstraling van de vier pulsars ziet binnenkomen – steeds heel kort.

‘We hebben een model ontwikkeld dat de metingen van NICER vergelijkt met metingen door radiotelescopen op de grond. Uit het verschil tussen die twee metingen halen wij informatie over de positie’, zegt Paul Ray, een van de onderzoekers in het SEXTANT-project, in een nieuwsbericht van NASA.

Het team had twee weken ingeruimd om aan te tonen dat hun systeem de positie van het ISS tot op 16 km kon bepalen, maar dat was al binnen acht uur gelukt. Het grootste deel van het experiment werd de positie zelfs gemeten binnen een foutenmarge van 4,8 km. En dat terwijl het ISS met een snelheid van ruim 28.000 km/h om de aarde raast.

Autonoom posities bepalen

Natuurlijk haalt dit nieuwe systeem niet de nauwkeurigheid van gps – een paar meter – dat we op aarde gebruiken om onze positie te bepalen, maar dat hoeft ook niet. De afstanden in de ruimte zijn immers vele malen groter. ‘We hopen in de ruimte uiteindelijk een nauwkeurigheid te halen van een paar honderd meter’, zegt projectleider Jason Mitchell van SEXTANT. Als dat lukt, is er voortaan een methode voor ruimtevaartuigen om continu en autonoom (dus zonder contact te hoeven leggen met de aarde) hun positie te bepalen.

De ingenieurs van NASA zijn opgetogen, want hun succesvolle test laat zien dat het mogelijk moet zijn om een navigatiesysteem te bouwen voor in de ruimte. Het zal nog wel een paar jaar duren voor het zover is, temperen ze de verwachtingen. Eerst vindt er later dit jaar nog een tweede experiment plaats, met verbeterde software voor zowel het NICER-meetapparaat als de metingen op de grond.