Dans une première technologie, une équipe d'ingénieurs de la NASA a démontré une navigation à rayons X entièrement autonome dans l'espace, une capacité qui pourrait révolutionner la capacité de la NASA à l'avenir à piloter des engins spatiaux robotiques jusqu'aux confins du système solaire et au-delà.

La démonstration, que l'équipe a réalisée avec une expérience appelée Station Explorer pour la technologie de synchronisation et de navigation par rayons X, ou SEXTANT, ont montré que les pulsars millisecondes pouvaient être utilisés pour déterminer avec précision l'emplacement d'un objet se déplaçant à des milliers de kilomètres par heure dans l'espace, de la même manière que le système de positionnement global, largement connu sous le nom de GPS, assure le positionnement, la navigation, et des services de synchronisation aux utilisateurs sur Terre avec sa constellation de 24 satellites opérationnels.

"Cette démonstration est une percée pour l'exploration future de l'espace lointain, " a déclaré Jason Mitchell, chef de projet SEXTANT, un technologue en aérospatiale au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "En tant que premier à démontrer la navigation aux rayons X de manière totalement autonome et en temps réel dans l'espace, nous ouvrons maintenant la voie."

Cette technologie offre une nouvelle option pour la navigation dans l'espace lointain qui pourrait fonctionner de concert avec les systèmes radio et optiques existants à base d'engins spatiaux.

Bien que cela puisse prendre quelques années pour développer un système de navigation à rayons X pratique pour une utilisation sur des engins spatiaux lointains, le fait que les ingénieurs de la NASA aient prouvé que cela pouvait être fait est de bon augure pour les futurs voyages spatiaux interplanétaires. Un tel système offre une nouvelle option aux engins spatiaux pour déterminer de manière autonome leurs emplacements en dehors des réseaux mondiaux de navigation terrestres actuellement utilisés, car les pulsars sont accessibles dans pratiquement tous les régimes de vol imaginables, de la Terre basse à l'espace le plus profond.

Exploiter les télescopes NICER

La démonstration de la technologie SEXTANT, que la Direction de la mission de technologie spatiale de la NASA avait financé dans le cadre de son programme de changement de jeu, a profité des 52 télescopes à rayons X et des détecteurs à dérive de silicium qui composent l'explorateur de composition intérieure d'étoiles à neutrons de la NASA, ou PLUS BEAU. Depuis son déploiement réussi en tant que charge utile externe sur la Station spatiale internationale en juin, il a entraîné son optique sur certains des objets les plus insolites de l'univers.

"Nous faisons de la science très cool et utilisons la station spatiale comme plate-forme pour exécuter cette science, qui à son tour permet la navigation par rayons X, " a déclaré Keith Gendreau de Goddard, l'investigateur principal de NICER, qui a présenté les conclusions jeudi, 11 janvier lors de la réunion de l'American Astronomical Society à Washington. "La technologie aidera l'humanité à naviguer et à explorer la galaxie."

PLUS GENTIL, un observatoire de la taille d'une machine à laver, étudie actuellement les étoiles à neutrons et leur cohorte à pulsations rapides, appelés pulsars. Bien que ces bizarreries stellaires émettent un rayonnement à travers le spectre électromagnétique, l'observation dans la bande des rayons X offre les meilleurs aperçus de ces objets célestes incroyablement denses, lequel, si compressé davantage, s'effondrerait complètement dans des trous noirs. Une seule cuillère à café de matière stellaire à neutrons pèserait un milliard de tonnes sur Terre.

Bien que NICER étudie tous les types d'étoiles à neutrons, l'expérience SEXTANT est centrée sur les observations de pulsars. Le rayonnement émanant de leurs puissants champs magnétiques est balayé un peu comme un phare. Les faisceaux étroits sont perçus comme des éclairs de lumière lorsqu'ils balaient notre champ de vision. Avec ces pulsations prévisibles, Les pulsars peuvent fournir des informations de synchronisation de haute précision similaires aux signaux d'horloge atomique fournis par le système GPS.

Démonstration de la Journée des anciens combattants

Dans la manifestation SEXTANT qui a eu lieu pendant les vacances de la fête des anciens combattants en 2017, l'équipe SEXTANT a sélectionné quatre cibles de pulsar millisecondes—J0218+4232, B1821-24, J0030+0451, et J0437-4715 - et a demandé à NICER de s'orienter de manière à pouvoir détecter les rayons X dans leurs faisceaux lumineux. Les pulsars millisecondes utilisés par SEXTANT sont si stables que leurs temps d'arrivée d'impulsions peuvent être prédits avec une précision de la microseconde pendant des années dans le futur.

Au cours de l'expérience de deux jours, la charge utile a généré 78 mesures pour obtenir des données de synchronisation, que l'expérience SEXTANT a alimentée dans ses algorithmes embarqués spécialement développés pour assembler de manière autonome une solution de navigation qui a révélé l'emplacement de NICER sur son orbite autour de la Terre en tant que charge utile de station spatiale. L'équipe a comparé cette solution aux données de localisation recueillies par le récepteur GPS embarqué de NICER.

"Pour que les mesures embarquées soient significatives, nous devions développer un modèle qui prédit les heures d'arrivée en utilisant les observations au sol fournies par nos collaborateurs dans les radiotélescopes du monde entier, " a déclaré Paul Ray, un co-investigateur SEXTANT avec le U.S. Naval Research Laboratory. "La différence entre la mesure et la prédiction du modèle est ce qui nous donne nos informations de navigation."

L'objectif était de démontrer que le système pouvait localiser NICER dans un rayon de 10 milles alors que la station spatiale tournait autour de la Terre à un peu plus de 17, 500 mph. Dans les huit heures suivant le début de l'expérience, le 9 novembre, le système a convergé vers un emplacement dans la plage ciblée de 10 miles et est resté bien en dessous de ce seuil pour le reste de l'expérience, dit Mitchell. En réalité, « une bonne partie » des données ont montré des positions précises à trois milles près.

"C'était beaucoup plus rapide que les deux semaines que nous avions allouées pour l'expérience, " a déclaré l'architecte système SEXTANT Luke Winternitz, qui travaille chez Goddard. "Nous avions des indications que notre système fonctionnerait, mais l'expérience du week-end a finalement démontré la capacité du système à fonctionner de manière autonome."

Bien que le système GPS omniprésent soit précis à quelques mètres près pour les utilisateurs terrestres, ce niveau de précision n'est pas nécessaire lors de la navigation vers les confins du système solaire où les distances entre les objets se mesurent en millions de kilomètres. "Dans l'espace lointain, nous espérons atteindre des précisions dans les centaines de pieds, ", a déclaré Mitchell.

Prochaines étapes et avenir

Maintenant que l'équipe a fait la démonstration du système, Winternitz a déclaré que l'équipe se concentrera sur la mise à jour et le réglage fin des logiciels de vol et au sol en vue d'une deuxième expérience plus tard en 2018. L'objectif ultime, qui peut prendre des années à réaliser, serait de développer des détecteurs et d'autres matériels pour rendre la navigation basée sur les pulsars facilement disponible sur les futurs engins spatiaux. Pour faire progresser la technologie pour une utilisation opérationnelle, les équipes se concentreront sur la réduction de la taille, poids, et les exigences de puissance et l'amélioration de la sensibilité des instruments. L'équipe SEXTANT discute également de l'application possible de la navigation aux rayons X pour soutenir les vols spatiaux habités, Mitchell a ajouté.

Si une mission interplanétaire vers les lunes de Jupiter ou de Saturne était équipée d'un tel appareil de navigation, par exemple, il serait capable de calculer sa localisation de manière autonome, pendant de longues périodes sans communiquer avec la Terre.

Mitchell a déclaré que le GPS n'est pas une option pour ces missions lointaines car son signal s'affaiblit rapidement à mesure que l'on voyage au-delà du réseau de satellites GPS autour de la Terre.

"Cette démonstration réussie établit fermement la viabilité de la navigation par pulsar à rayons X en tant que nouvelle capacité de navigation autonome. Nous avons montré qu'une version mature de cette technologie pourrait améliorer l'exploration de l'espace lointain n'importe où dans le système solaire et au-delà, " a déclaré Mitchell. " C'est d'abord une technologie impressionnante. "

NICER est une mission d'opportunité d'astrophysique au sein du programme Explorers de la NASA, qui offre des opportunités de vol fréquentes pour des recherches scientifiques de classe mondiale depuis l'espace en utilisant des technologies innovantes, approches de gestion rationalisées et efficaces dans les domaines des sciences de l'héliophysique et de l'astrophysique. La Direction de la mission de technologie spatiale de la NASA finance la composante SEXTANT de la mission par le biais de son programme de développement qui change la donne.