Notre constellation de satellites GPS est excellente mais limitée. Photo avec l'aimable autorisation du Département de la Défense des États-Unis DONNER PARTY ARRIVE EN CALIFORNIE, RÉCLAMATION DE BONS TEMPS ET DE VOYAGES SÉCURISÉS
Cela aurait pu être un titre écrit à l'automne 1846 si George et Jacob Donner avaient accès au système de positionnement global, une technologie de navigation très précise reposant sur les signaux d'un réseau de satellites en orbite autour de 12, 500 milles (20, 200 kilomètres) au-dessus de la surface de la Terre [source :GPS.gov]. Malheureusement pour les frères Donner et leur malheureux groupe de pionniers, Le GPS nécessiterait encore 100 ans de R&D, les laissant trouver leur chemin vers la Californie à l'aide de boussoles, cartes et mauvais conseils. À la fin, leur long voyage s'est transformé en un cauchemar tortueux. Ils sont devenus enneigés dans les montagnes de la Sierra Nevada, où de nombreux membres de leur groupe sont morts avant que les sauveteurs ne puissent les atteindre au printemps.
Les explorateurs spatiaux peuvent faire face à des tragédies similaires s'ils ne trouvent pas de méthode fiable pour s'orienter lorsqu'ils voyagent vers des planètes lointaines et, peut-être, étoiles lointaines. Le GPS semble être le candidat logique pour de telles entreprises, mais le système ne fonctionne que si votre voyage est limité à des destinations terrestres. C'est parce que les 24 satellites qui composent la "constellation" GPS transmettent leurs signaux vers la Terre. Si vous êtes situé sous les satellites et que vous disposez d'un récepteur capable de détecter les signaux, vous pouvez déterminer de manière fiable votre emplacement. Naviguer à la surface de la planète ? Vous êtes prêt à partir. Voler en orbite terrestre basse (LEO) ? Vous êtes couvert. Aventurez-vous au-dessus de LEO, cependant, et votre récepteur GPS pratique se retrouvera rapidement au-dessus de la constellation de satellites et, par conséquent, ne pourra plus enregistrer de signal. En d'autres termes :les satellites GPS ne transmettent que vers le bas, pas haut.
Cela ne signifie pas que les missions vers des destinations au-delà de la Terre doivent voler à l'aveugle. Les techniques de navigation actuelles utilisent un réseau de stations de suivi terrestres qui scrutent l'espace. Quand une fusée quitte notre planète pour Mars, Jupiter ou au-delà, les équipes au sol envoient des ondes radio des stations de localisation au navire. Ces vagues rebondissent sur l'engin et reviennent sur Terre, où les instruments mesurent le temps qu'il a fallu aux ondes pour faire le voyage et le changement de fréquence causé par l'effet Doppler. En utilisant ces informations, les équipes au sol peuvent calculer la position de la fusée dans l'espace.
Imaginez maintenant que vous vouliez voyager jusqu'aux confins du système solaire. Lorsque votre vaisseau spatial atteint Pluton, tu auras 3 ans, 673, 500, 000 miles (5,9 milliards de kilomètres) de la Terre. Un signal radio envoyé par une station de suivi prendrait 5,5 heures pour vous atteindre, puis encore 5,5 heures pour revenir (en supposant que les ondes voyageaient à la vitesse de la lumière), ce qui rend plus difficile de localiser votre emplacement exact. Voyagez encore plus loin, et la précision des systèmes de suivi terrestres diminue encore plus. Clairement, une meilleure solution serait de placer un instrument de navigation sur le vaisseau spatial afin qu'il puisse calculer sa position indépendamment. C'est là que navigation pulsar , une innovation du Goddard Space Flight Center de la NASA, entre.
Le GPS utilise des mesures précises du temps pour effectuer des calculs. Chaque satellite GPS contient une horloge atomique, et son heure est synchronisée avec celle d'un récepteur. Un récepteur peut calculer la portée du satellite en multipliant le temps qu'il faut au signal du satellite pour atteindre le récepteur par la vitesse du signal, qui est la vitesse de la lumière. S'il faut 0,07 seconde pour que le signal d'un satellite atteigne le récepteur, alors la portée du satellite est de 13, 020 milles (186, 000 milles par seconde × 0,07 seconde).
Une fusée pourrait faire des calculs similaires si elle pouvait recevoir des signaux temporels émis par quelque chose dans l'espace. Par chance, l'univers contient plus que quelques dispositifs de chronométrage très précis. Ils sont connus comme pulsars -- des étoiles à neutrons en rotation rapide qui émettent des impulsions régulières de rayonnement électromagnétique. A un moment de sa vie, un pulsar vivait grand et brûlait de mille feux. Puis il a épuisé son combustible nucléaire et est mort dans une explosion massive. Le produit de cette explosion était une rotation rapide, objet hautement magnétisé dont les pôles émettaient de puissants faisceaux d'énergie. Maintenant, comme l'étoile morte tourne, les faisceaux balayent, un peu comme le phare d'un phare. Un observateur sur Terre ne peut pas voir l'étoile elle-même, mais il peut voir les impulsions de lumière qui traversent l'espace.
Certains pulsars clignotent toutes les quelques secondes ; d'autres clignotent beaucoup plus rapidement. Dans les deux cas, ils pulsent toujours avec une fréquence constante, ce qui les rend utiles pour garder le temps. En réalité, comme dispositifs de chronométrage, les pulsars rivalisent avec les horloges atomiques en termes de précision. En 1974, un scientifique du Jet Propulsion Laboratory – G.S. Downs – a d'abord proposé l'idée d'utiliser des pulsars pour aider les engins spatiaux à naviguer dans le cosmos. Le concept est resté sur papier parce que les scientifiques n'en savaient toujours pas assez sur les étoiles énigmatiques et parce que les seuls instruments disponibles pour détecter les pulsars - les radiotélescopes - étaient énormes.
Au cours des années, le terrain avançait. Les astronomes ont continué à découvrir les pulsars et à étudier leur comportement. En 1982, par exemple, les scientifiques ont découvert les premiers pulsars millisecondes, qui ont des périodes de moins de 20 millisecondes. Et en 1983, ils ont découvert que certains pulsars millisecondes émettaient de puissants signaux de rayons X. Tous ces travaux ont permis de faire passer la navigation pulsar du papier à la pratique.
L'interprétation de cet artiste montre la charge utile NICER/SEXTANT. La charge utile de 56 télescopes volera sur la Station spatiale internationale. Image reproduite avec l'aimable autorisation de la NASA Bien que le GPS que nous utilisons sur Terre ne soit pas utile pour les voyages interplanétaires, ses principes s'appliquent à d'autres systèmes de navigation. En réalité, utiliser des pulsars pour s'orienter dans le système solaire ressemble à un GPS terrestre à bien des égards :
Le dernier obstacle, bien sûr, teste la théorie pour voir si elle tient le coup. Ce sera l'un des objectifs clés de la mission NICER/SEXTANT de la NASA. PLUS GENTIL/SEXTANT signifie Explorateur de composition intérieure à étoiles à neutrons/Explorateur de stations pour la synchronisation des rayons X et la technologie de navigation , qui décrit un instrument composé de 56 télescopes à rayons X regroupés dans un réseau de la taille d'un mini-réfrigérateur [source :NASA]. Prévu pour voler sur la Station spatiale internationale en 2017, l'instrument fera deux choses :étudier les étoiles à neutrons pour en savoir plus sur elles et servir de preuve de concept pour la navigation des pulsars.
Si la mission NICER/SEXTANT est réussie, nous ferons un pas de plus vers la navigation interplanétaire autonome. Et peut-être aurons-nous la technologie en place pour éviter une catastrophe semblable à Donner dans l'espace. Être perdu au bord du système solaire, à des milliards de kilomètres de la Terre, semble un peu plus effrayant que d'errer hors des sentiers battus sur le chemin de la Californie.
Souvenez-vous de "Perdu dans l'espace, " l'émission télévisée de science-fiction campy diffusée à la fin des années 1960 ? Je l'ai regardée en rediffusion dans les années 70 et j'en ai adoré chaque minute. Cela semblait plutôt cool d'être perdu dans l'espace à l'époque. Maintenant, avec un peu de recul, cela semble tout à fait terrifiant. Si la navigation pulsar devient une réalité, au moins cet aspect du vol spatial - trouver votre chemin - deviendra moins intimidant.
