Depuis des siècles, les phares ont aidé les marins à naviguer en toute sécurité dans le port. Leurs lumières ont balayé l'eau, coupant à travers le brouillard et les ténèbres, guider les marins autour des obstacles dangereux et les garder sur la bonne voie. À l'avenir, les explorateurs de l'espace peuvent recevoir des indications similaires à partir des signaux stables créés par les pulsars.

Les scientifiques et les ingénieurs utilisent la Station spatiale internationale pour développer une navigation basée sur les pulsars en utilisant ces phares cosmiques pour aider à s'orienter lors de voyages vers la Lune dans le cadre du programme Artemis de la NASA et lors de futures missions humaines vers Mars.

Pulsars, ou étoiles à neutrons en rotation rapide, sont les restes extrêmement denses d'étoiles qui ont explosé en supernova. Ils émettent des photons de rayons X faisceaux étroits qui balaient le ciel comme un phare tandis que les étoiles tournent. De loin, ils semblent palpiter, d'où le nom de pulsars.

Un télescope à rayons X à l'extérieur de la station spatiale, l'étoile à neutrons Interior Composition Explorer ou NICER, recueille et horodatage l'arrivée de la lumière des rayons X des étoiles à neutrons dans le ciel. Logiciel embarqué dans NICER, appelé Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology ou SEXTANT, utilise les balises des pulsars pour créer un système de type GPS. Ce concept, souvent appelé XNAV, pourrait fournir une navigation autonome dans tout le système solaire et au-delà.

"Le GPS utilise des signaux synchronisés avec précision. Les pulsations de certaines étoiles à neutrons sont très stables, certaines même aussi stables que les horloges atomiques terrestres à long terme, ce qui les rend potentiellement utiles d'une manière similaire, " dit Luke Winternitz, chercheur au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland.

La stabilité des impulsions permet des prédictions très précises de leur heure d'arrivée à n'importe quel point de référence du système solaire. Les scientifiques ont développé des modèles détaillés qui prédisent précisément à quel moment une impulsion arriverait, par exemple, le centre de la Terre. Chronométrage de l'arrivée de l'impulsion à un détecteur sur un engin spatial, et en comparant cela au moment où il est prévu d'arriver à un point de référence, fournit des informations pour naviguer bien au-delà de notre planète.

"Les informations de navigation fournies par les pulsars ne se dégradent pas en s'éloignant de la Terre puisque les pulsars sont répartis dans toute notre galaxie de la Voie lactée, " déclare Munther Hassouneh, membre de l'équipe SEXTANT, technologue en navigation.

« Il fait effectivement passer le 'G' du GPS de Global à Galactic, " ajoute Jason Mitchell, membre de l'équipe, directeur de la division Advanced Communications and Navigation Technology du programme Space Communication and Navigation de la NASA. "Il pourrait fonctionner n'importe où dans le système solaire et même transporter des systèmes robotiques ou en équipage au-delà du système solaire."

Des pulsars peuvent également être observés dans la bande radio mais, contrairement aux ondes radio, Les rayons X ne sont pas retardés par la matière dans l'espace. En outre, les détecteurs de rayons X peuvent être plus compacts et plus petits que les antennes paraboliques.

Mais parce que les impulsions de rayons X sont très faibles, un système doit être suffisamment robuste pour capter un signal suffisant pour la navigation. La grande zone de collecte de NICER le rend presque idéal pour la recherche XNAV. Un futur système XNAV pourrait être plus petit, taille de négociation pour un temps de collecte plus long.

"NICER a à peu près la taille d'une machine à laver, mais vous pourriez réduire considérablement sa taille et son volume, " dit Mitchell. " Par exemple, il serait intéressant d'installer un télescope XNAV dans un petit satellite qui pourrait naviguer indépendamment dans la ceinture d'astéroïdes et caractériser les corps primitifs du système solaire."

Tel que publié dans un article de 2018, SEXTANT a déjà démontré avec succès la navigation à base de pulsars en temps réel à bord de la station spatiale. Il a également étudié l'utilisation de pulsars pour le chronométrage et la synchronisation d'horloge et contribue à élargir le catalogue de pulsars à utiliser comme points de référence pour XNAV.

L'équipe SEXTANT comprend également Samuel Price, Sean Semper et Wayne Yu chez Goddard; les partenaires du Naval Research Lab, Paul Ray et Kent Wood; et le chercheur principal de NICER, Keith Gendreau, et le responsable scientifique Zaven Arzoumanian.

L'équipe étudie maintenant la navigation autonome XNAV sur la plate-forme Gateway de la NASA en tant que technique pour soutenir les missions en équipage vers Mars. Les astronautes pourraient également l'utiliser pour compléter les capacités de navigation à bord s'ils devaient revenir sur Terre par eux-mêmes.

"L'orbite de la passerelle autour de la Lune d'environ six jours et demi nous permettrait de regarder les pulsars beaucoup plus longtemps, " dit Mitchell. " C'est là que le commerce entre en jeu; l'instrument est comme un seau et vous remplissez ce seau avec suffisamment de photons de rayons X pour générer une mesure du moment où cette impulsion est arrivée. Vous pourriez avoir un détecteur d'une fraction de la taille de NICER."

Ces types d'expériences pourraient rapprocher les phares cosmiques de la réalité pour guider les engins spatiaux vers leurs destinations.