“Ain’t like Dusting Crops!” How We’ll Actually Navigate Interstellar Space

0
9
Simulated Hyperspace Travel

Möge der 4. mit dir sein!

Der Millennium Falcon fliegt aus dem Weltraumhafen Mos Eisley und bringt unsere Abenteurer von Tatooine weg, um Luke Skywalker über die Schwelle ins All zu bringen. Mit dem Schließen der Imperial Star Destroyers beklagt Luke Han Solos Verzögerung beim Sprung in den Hyperraum. Es braucht Zeit, um diese Berechnungen über den „Navicomputer“ des Falken durchzuführen. Han erklärt, dass sie sonst “direkt durch einen Stern fliegen” oder “zu nahe an eine Supernova springen” könnten. (wahrscheinlich der gleiche Effekt von jedem – sind Supernovas auch federnd?)

Himmelsberechnungen sind erforderlich, um herauszufinden, wohin Sie gehen. In Star Wars werden diese von Schiffscomputern oder später von vertrauenswürdigen Astromech-Droiden wie R2-D2 ausgeführt. Zum ersten Mal wurden jedoch Simulationen der Fähigkeit eines nicht geschraubten Schiffes durchgeführt, sich automatisch durch den interstellaren Raum zu bewegen. Während die Simulationen nicht mit Hyperraumgeschwindigkeiten durchgeführt werden, berücksichtigen sie Geschwindigkeiten mit bis zu der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit. Diese Simulationen wurden von Coryn AL Bailer-Jones vom Max-Plank-Institut für Astronomie erstellt und sind möglicherweise unser erster Schritt zur Erstellung eigener „Navicomputer“ (oder R2-D2s, wenn sie eine Persönlichkeit haben).

Das am weitesten entfernte Objekt, das wir jemals in den Weltraum geschickt haben, Voyager1, wurde 1977 (im selben Jahr wie die Veröffentlichung von Star Wars) gestartet. Es dauerte 4 Jahrzehnte, um das Sonnensystem zu verlassen. Die nächste Generation interstellarer Fahrzeuge ist zwar viel schneller, benötigt aber auch eine eigene Navigationsmethode
c. NASA

Kabel abschneiden

Das am weitesten entfernte Objekt, das wir ins Universum geschickt haben, ist die Raumsonde Voyager 1. Sonden wie Voyager aktualisieren ihre Position durch Radar- und Funksignale mit der Erde. Sie können den Echtzeitstandort von Voyager online verfolgen. Die Position des Fahrzeugs wird mithilfe von zwei bodengestützten Stationen auf der Erde trianguliert und anschließend die Position eines bekannten hellen Objekts neben der scheinbaren Position (in Richtung, aber nicht in der Nähe) des Raumfahrzeugs wie bei einem Quasar. Dieses Verfolgungssystem ist wie eine riesige lichtbasierte Nabelschnur, die das Fahrzeug mit der Erde verbindet. Aber diese Fahrzeuge haben keine eigenen Navicomputer oder R2-Einheiten. Jede Führung hängt von der Verbindung zur Erde ab. Sobald sich das Raumschiff außerhalb der Signalreichweite befindet oder das Signal unterbrochen wird, verfügt das Fahrzeug nicht mehr über eine interne Navigationsmöglichkeit. Sonden wie die Voyager werden irgendwann die Verbindung zur Erde verlieren und Hunderte von Millionen von Jahren driften. Wir werden vielleicht nie wissen, wo sie landen oder wer sie findet – wenn überhaupt.

Quasare, aktive Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien, gehören zu den leuchtendsten Objekten im Universum. Sie können zur Himmelsnavigation verwendet werden, wenn Sie von der Erde aus steuern. Aber ein sich bewegendes Raumschiff muss sich auf die Sterne verlassen, genau wie Schiffe auf dem Ozean. C. SpaceEngine vom Autor

In einem Meer der Sterne

Wenn wir vorhaben, Fahrzeuge in den Weltraum zu schicken, müssen sie ohne Anweisungen von der Erde navigieren und Kurskorrekturen vornehmen können. Ein vorgeschlagenes Verfahren besteht darin, bekannte Pulsare zu referenzieren. Pulsare sind die Überreste toter Sterne, die durch katastrophale Supernova-Explosionen entstanden sind. Wenn die Sterne heftig zusammenbrechen, wird ihr Drehimpuls oder Spin auf ein immer kleineres Objekt übertragen – denken Sie wie ein Eiskunstläufer, der seine Arme zurückzieht. Diese Pulsare drehen sich mit bekannten Frequenzen in bekannten Entfernungen. Sie können wie interstellare GPS-Satelliten verwendet werden, um festzustellen, wo Sie sich im 3D-Raum befinden. Es gibt jedoch einige Debatten darüber, wie genau dieses System ist, da Sie sich nur auf eine Handvoll Pulsare verlassen müssen und Weltraumstaub / -gas, das als interstellares Medium bezeichnet wird, Fehler in diese Pulsarberechnungen einbringen könnte.

Deshalb schlägt Bailer-Jones eine Methode vor, die so alt ist wie das Navigieren im Meer. Verwenden Sie einen Sextanten. Die Himmelsnavigation wird bereits seit Jahrhunderten auf dem Ozean durchgeführt. Schiffe würden einen Sextanten verwenden, um den Winkel oder den „Winkelabstand“ zwischen einem Stern oder der Sonne und dem Horizont zu messen, um die Position auf der Erdoberfläche zu berechnen.

Das zusammengesetzte Bild des Krebsnebels zeigt Röntgenstrahlen von Chandra (blau und weiß), optische Daten von Hubble (lila) und Infrarotdaten von Spitzer (rosa). Das Objekt in der Mitte des Nebels ist ein Pulsar. Diese wurden auch als Objekte theoretisiert, die für die Himmelsnavigation verwendet werden könnten. C. Chandra Röntgenobservatorium

Ein Raumschiff tief im interstellaren Raum könnte eine ähnliche Technik verwenden, um den Winkelabstand zwischen Sternen zu messen und aus ihrer Änderung der Position über die Zeit zu extrapolieren, wo sich das Schiff relativ zu diesen Sternen befindet. Sterne bewegen sich aus zwei Gründen, während Sie durch den Weltraum reisen. Die erste ist die Parallaxe, die wahrgenommene Bewegung eines Objekts, die durch Ihre Änderung des Blickwinkels verursacht wird. Sie können diese Positionsänderung sehen, wenn Sie eine Ihrer Hände auf Armlänge ausstrecken und Ihre Finger mit einem geschlossenen Auge und dem anderen betrachten. Ihre Finger scheinen sich zu bewegen. Wir sehen, wie sich der Himmel auf ähnliche Weise bewegt.

Während unsere Erde die Sonne umkreist, erleben wir die Veränderung der Position der Sterne. Wenn wir uns auf einer Seite unserer Umlaufbahn befinden, ist es so, als würden wir mit einem offenen Auge in den Himmel schauen, wie im Beispiel der Hand. Sechs Monate später schauen wir mit dem anderen Auge auf die andere Seite der Sonne. Der Betrag, um den sich ein Stern verschiebt, gibt uns eine Entfernungsberechnung zu diesem Stern in Parsecs (ähm… Han Solo, achten Sie darauf? Parsec ist ein Maß für die Entfernung). Ein Stern in einer Entfernung von einem Parsec scheint in 6 Monaten unserer Umlaufbahn um die Sonne die Position am Himmel um eine „Bogensekunde“ (eine 3600stel Grad am Himmel) zu ändern. Eine Parsec entspricht etwa 3,26 Lichtjahren. Ähnlich wie bei einem sich bewegenden Raumschiff wird ein 1 Parsec entfernter Stern für jede AU (Astronomische Einheit = durchschnittliche Entfernung zwischen Erde und Sonne = ca. 150 Millionen km), die das Schiff durch den Weltraum fährt, um 1 Bogensekunde verschoben.

Sextant, wie er von denjenigen benutzt wird, die den Ozean bereisen, um ihren Weg zu finden – c. Öffentlicher Doman

Im Gegensatz zur bodengestützten Beobachtung des Raumfahrzeugs funktionieren entfernte Quasare in diesem Szenario nicht, da sie einfach zu astronomisch weit entfernt sind. Der der Erde am nächsten gelegene Quasar ist eine halbe Milliarde Lichtjahre entfernt, so dass der Parallaxeneffekt praktisch unsichtbar ist. Stattdessen würde das Fahrzeug die nächsten und hellsten Sterne beobachten, um auf seiner Reise Messungen durchzuführen, da diese Sterne den größten Parallaxeeffekt zeigen.

Sterne scheinen auch ihre Position zu ändern, weil sie sich selbst durch die Milchstraße bewegen. Je näher wir diesen Sternen in einem sich bewegenden Raumschiff sind, desto offensichtlicher wird ihre eigene Bewegung im Laufe der Zeit sein. Die Änderung der scheinbaren Position des Sterns am Himmel aufgrund seiner tatsächlichen Bewegung durch den Raum relativ zum Schiff wird als “Aberration” bezeichnet. Das Raumschiff kann die Änderungen der Position eines Sterns entweder von Parallaxe oder Aberration unterscheiden. Die beiden Bewegungsarten Parallaxe und Aberration zusammen können uns zwei Dinge über das Raumschiff sagen, die wir wissen müssen. Parallaxe gibt uns eine Echtzeitposition des Raumfahrzeugs im 3D-Raum. Aberration gibt uns die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs relativ zur Bewegung dieser Sterne.

Damit das System funktioniert, würde das Raumschiff eine Sternenkarte bekannter Sternpositionen und -geschwindigkeiten tragen, die bereits von der Erde kartiert wurden, wobei Daten von Starcharting-Missionen wie Gaia und Hipparcos verwendet wurden. Gaia allein kartiert 1% der Galaxie… was nicht viel zu sein scheint, bis man merkt, dass das 1 BIILLION Sterne sind. Wenn unser Schiff noch ein paar Lichtjahre in den Weltraum reisen soll – viel weiter als je zuvor -, ist diese Karte mehr als ausreichend.

Winkelmaßeinheiten c. Wikipedia

https://www.youtube.com/watch?v=lxgdcG_NQyA

Ein simulierter Navicomputer

Es müssen einige Annahmen über das virtuelle Raumschiff getroffen werden, das wir in das Universum senden, das Bailer-Jones für die Simulation auswählt. Gaia kann eine Genauigkeit bei Winkelabständen zwischen Sternen bis zu Submilliarden Sekunden erreichen. Wirklich feine Maße. Um sicher zu gehen, wird bei dieser Simulation davon ausgegangen, dass das Raumschiff mindestens eine Bogensekunde messen kann. Wir wissen nicht, wie leistungsfähig die Navigationsinstrumente des Fahrzeugs sein können. Denken Sie daran, dass eine interstellare Sonde wahrscheinlich kompakt sein und andere Messgeräte tragen muss. Genauere Winkelmessungen bedeuten größere Teleskope zum Navigieren.

Das Raumschiff hat unter Verwendung vorhandener Sternenkarten Zugriff auf die erwarteten Richtungen und Geschwindigkeiten der Sterne relativ zum Raumschiff. Das Fahrzeug misst die Winkelabstände zwischen einer Auswahl dieser Sterne und einem Referenzstern, auf den ein an Bord befindlicher Sextant immer zeigt. In diesem Fall könnte dieser Stern unsere eigene Sonne sein, aber jeder Stern könnte verwendet werden, und das ist ein wichtiger Hinweis, da der springende Punkt dieses Systems darin besteht, dass die Navigation unabhängig davon funktioniert, wo Sie angefangen haben.

Durch Simulationen wurde das Fahrzeug zwischen 0,1 und 10 Lichtjahren von der Erde entfernt platziert – eine obere Schätzung, wie weit unsere ersten Versuche interstellarer Reisen gehen werden. Denken Sie daran, dass der nächstgelegene Stern zu unserem eigenen, Proxima Centauri, nur 4,2 Lichtjahre entfernt ist. Auch das wäre erstaunlich. Das Schiff wird auch mit Geschwindigkeiten von 0 bis 500 km / s sowie relativistisch (Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit) mit bis zu 0,5 c (0,5-fache Lichtgeschwindigkeit – NICHT 0,5 PAST-Lichtgeschwindigkeit) simuliert. Wenn wir zu einem anderen Sonnensystem gehen möchten, müssen wir wahrscheinlich mit einem guten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit reisen, und die Simulation möchte erfassen, wie sich dies auf unsere Navigation auswirkt, wenn überhaupt.

Die 30-jährige Jubiläumsversion des Bildes „Pale Blue Dot“ wurde aktualisiert – das am weitesten entfernte Foto, das jemals von der Voyager 1 am 14. Februar 1990 von der Erde aufgenommen wurde. Dies war das letzte Bild, das vor dem Abschalten der Kameras für die lange Reise in den interstellaren Raum aufgenommen wurde. c. NASA / JPL

Was ist deine 20?

Die Ergebnisse der Simulation – ja, Sie können herausfinden, wo Sie sich im Weltraum befinden! Zweitens bestimmte Bailer-Jones mit welcher Genauigkeit. Beispielsweise kann das Raumschiff unter Verwendung von 10 Sternen als Referenzpunkt mit einer Winkelmessgenauigkeit von 1 Zoll bei 0,39 ° C bestimmen, wo es sich innerhalb der Positionsgenauigkeit von 5AU und der Geschwindigkeitsgenauigkeit von 5 km / s befindet. Nicht schlecht. 5AU ist jedoch eine große Raumblase. Mit 100 Sternen kann sich das Fahrzeug jedoch innerhalb von 1,2 AE lokalisieren und seine Geschwindigkeit auf 0,6 km / s genau bestimmen. Darüber hinaus ändert das Fahren mit relativistischen Geschwindigkeiten nichts an der allgemeinen Fähigkeit des Fahrzeugs, zu wissen, wo es sich befindet. (Wir überlassen das Problem der nächsten Generation von FTL-Schiffen)

Wenn Sie die Genauigkeit der Winkelentfernungsmessung auf 0,1 Bogensekunden erhöhen, kann der Standort des Fahrzeugs mit nur 20 Sternen auf 0,3 AU und die Geschwindigkeit auf 200 m / s gemessen werden. Jede zusätzliche Möglichkeit, die Messgenauigkeit zu erhöhen, reduziert die Anzahl der Gesamtberechnungen, die Sie durchführen müssen. Hoffentlich weiß Han das.

Als ich Bailer-Jones ‘Forschungen las, fühlte ich eine Verbindung zu unserem kleinen virtuellen Raumschiff, das durch die Sterne flog. Dies ist noch ein langer Weg vom Hyperraum entfernt, und wir fliegen nicht schnell genug, um uns Sorgen zu machen, durch andere Sterne zu fliegen, aber wir könnten kurz davor stehen, zu anderen Sternen zu fliegen. Ich hoffe nur, dass die Navigationscomputer des Schiffes mindestens einen Sci-Fi-Namen haben. R2? L3? Zäh?… Chekov? Jeder von denen würde tun.

Ausgewähltes Bild: Simulierter Hyperraumsprung in SpaceEngine nach Autor

Mehr zu entdecken:

Originalforschungsartikel „Im Weltraum verloren? Astronavigation mit einem astrometrischen Sternenkatalog

Die NASA plant jetzt eine Mission für 1.000 AU von der Sonne bis tief in den interstellaren Raum – Universum heute

Gaia Mission

ESA – Hipparcos Übersicht

Das Sonnensystem fliegt seit 33.000 Jahren durch die Trümmer einer Supernova – Universum heute

Machen Sie einen Flug durch die detaillierteste 3D-Karte des Universums, die jemals erstellt wurde – Universe Today

So was:

Mögen Wird geladen…