Kaip keliauti kosmose be GPS ir nepaklysti? Pati seniausia navigacija ir kaip ji veikia

Senovėje, kai nebuvo patikimų navigacijos prietaisų, tokių kaip GPS imtuvai ar netgi tikslūs laivų laikrodžiai ir kompasai, jūreiviams nepamainomas pagalbininkas buvo dangus ir ten esančių kūnų judėjimas. Saulės tekėjimo kryptis apytikriai rodė rytus, leidimosi – vakarus, o Šiaurinė žvaigždė leido rasti šiaurę. Tiesa, Šiaurinė žvaigždė ne visada buvo šiaurinė: Žemės ašis po truputį sukasi ir rodo vis į kitą dangaus tašką. Prieš penkis tūkstantmečius, žmonių civilizacjos apyaušryje, Šiaurinės žvaigždės vaidmenį vaidino Drakono žvaigždyne esantis Tubanas, tolimoje ateityje virš šiaurės ašigalio švies netgi Vega.

Šiaurinė žvaigždė leidžia nustatyti ne tik šiaurės kryptį, bet ir geografinę platumą. Esant šiaurės ašigalyje (90 laipsnių platuma), Šiaurinė žvaigždė yra tiesiai virš galvos. Esant ties pusiauju (0 laipsnių platuma), ji matoma ties horizontu. Taigi kampas, kurį Šiaurinė sudaro su horizontu, atitinka stebėtojo platumą. Šį ryšį bent apytikriai suprato daugybės senovės civilizacijų atstovai, nuo Viduržemio jūros iki Ramiojo vandenyno.

Deja, vien žvaigždžių padėtys negali mums pasakyti geografinės ilgumos. Tam dar reikia žinoti ir tikslų laiką kokiame nors atskaitos taške. Tada belieka pasinaudoti almanachu – knyga, kurioje surašyti laiko momentai, kai skirtingi dangaus kūnai skirtingomis dienomis pasiekia zenitą. Žinodami laiką kai, pavyzdžiui, tiesiai virš galvos Londone turėtų būti žvaigždė Vega, galime išmatuoti laiko tarpą nuo to momento iki tada, kai Vega pasiekia zenitą virš laivo. Šis intervalas nurodo, per kiek laiko Žemė pasisuka tokiu kampu, koks yra tarp Londono ir laivo. Vieną 360 laipsnių ratą žvaigždžių atžvilgiu Žemė apsuka per 23 valandas, 56 minutes ir keturias sekundes (dar tris minutes 56 sekundes jai užtrunka ta pačia puse atsisukti į Saulę, kurios padėtis žvaigždžių atžvilgiu kasdien kinta), taigi vienos valandos skirtumas atitinka maždaug 15 laipsnių. Ilguma kartais net yra matuojama ne laipsniais, o valandomis, ypač kai kalbame apie dangaus kūnų pusiaujines koordinates ir ilgumos atitikmenį rektasenciją.

Bet taip buvo praeityje. Dabar laivavedžiams naviguoti pagal žvaigždes tenka tik išskirtiniais atvejais, kai sugenda modernios navigacijos sistemos. Bet, pasirodo, ir šios sistemos neapsieina be kosminių objektų ir jų teikiamos informacijos.

Kiekvienas GPS palydovas, kad galėtų suteikti informaciją apie įrenginio-gavėjo (pvz. mobilaus telefono) padėtį, turi labai tiksliai žinoti savo padėtį Žemės atžvilgiu. Bet Žemė sukasi ir nuolatos kinta, taigi palydovui „žiūrėti“ žemyn negana. Jam reikia kontaktuoti su antžemine koordinavimo stotimi, kuri jau gali nustatyti palydovo padėtį ir jam pasakyti, kur jis yra. O palydovo padėtį nustatyti reikia dangaus atžvilgiu – vėlgi dėl to, kad Žemė nuolatos kinta. Taigi vėl grįžtame prie dangaus kūnų ir jų padėčių, kaip atskaitos taškų koordinačių sistemai.

Žvaigždės gali padėti nustatyti GPS palydovo ar kitų objektų padėtį – tam naudojami specialūs Fundamentaliųjų žvaigždžių katalogai. Pirmasis FK publikuotas dar 1897 metais, o naujausia versija, naudojama nuo 2000-ųjų, yra FK6. Ją sudaro daugiau nei 4000 žvaigždžių padėtys, kurias galima panaudoti tiksliam koordinačių sistemos apibrėžimui.

Visgi žvaigždės, laikui bėgant, juda. Nors judėjimas yra lėtas ir plika akimi nepastebimas, GPS palydovų padėtis nustatyti reikia taip tiksliai, kad ima kilti problemų. Todėl dar nuo 1998 metų yra naudojama kita, Tarptautinė dangaus atskaitos sistema (angl. International Celestial Reference Frame, ICRF). Naujausia, trečioji, jos versija pradėta naudoti nuo šių metų pradžios. Vietoj žvaigždžių ICRF kaip atskaitos taškus naudoja kvazarus – labai tolimas aktyvias galaktikas, kurių judėjimas dangaus skliautu yra nykstamai mažas, gerokai mažesnis už bet kokias pavienes žvaigždes. Trečiojoje ICRF versijoje yra naudojami daugiau nei 4300 kvazarų. Tiesa, iš jų koordinačių apibrėžimui naudojami tik 303, o likę daugiau nei 4000 yra atskaitiniai – jų koordinatės yra gerai žinomos, tad norimo objekto padėtį galima nustatyti lyginant su arčiausiai esančių kelių kvazarų padėtimis, nebūtinai susidarant visą atskaitos sistemą.

Kvazarai ir iš jų sudaryta ICRF naudinga ne tik GPS palydovų padėčių sekimui. Stebėdami, kaip kinta dangaus objektų padėtys, stebint nuo Žemės paviršiaus, gauname labai tikslią informaciją apie paties paviršiaus judėjimą. O tas judėjimas nėra visiškai tolygus: be Žemės sukimosi, jo judėjimą periodiškai veikia ir Mėnulio bei planetų gravitacija, o neperiodiškai – pokyčiai Žemės gelmėse, tektoninių plokščių judėjimas ir kiti procesai. Tad tolimi kvazarai mums padeda geriau pažinti ir savo pačių planetą.

Už Žemės ribų ICRF naudinga ir tolimų erdvėlaivių padėtims sekti. Juos taip pat geriau sekti nekintančių dangaus koordinačių, o ne kintančio Žemės paviršiaus, atžvilgiu. Bet čia susiduriame su problema, kad kuo erdvėlaivis yra toliau, tuo didesnė gaunasi jo padėties nustatymo paklaida. Pavyzdžiui, jei padėtį nustatome vienos kampinės sekundės (3600-osios laipsnio dalies) tikslumu, tai arti Mėnulio esančio erdvėlaivio padėties paklaida nesiekia dviejų kilometrų, o aplink Jupiterį besisukančio – viršija 3000 kilometrų. Kuo daugiau mūsų erdvėlaivių skrenda tolyn į kosmosą, tuo didesnis kyla poreikis kažkokiai geresnei padėties nustatymo sistemai.

Čia į pagalba gali ateiti kiti kosminiai kūnai, vadinami pulsarais. Pulsarai yra gana masyvių žvaigždžių sprogimų paliktos liekanos – neutroninės žvaigždės, – turinčios labai stiprų magnetinį lauką. Magnetinis laukas nukreipia didžiąją dalį pulsaro spinduliuotės išilgai magnetinės ašies, o kitomis kryptimis spinduliuotė lieka palyginus blausi. Magnetinė ašis dažniausiai nesutampa su pulsaro sukimosi ašimi, panašiai kaip ir Žemės magnetiniai poliai nėra geografiniuose ašigaliuose. Pulsarui sukantis, jo spinduliuotė periodiškai sklinda vis kita kryptimi. Jei kartais šviesos srautas pataiko į mus, mes tokį objektą matome kaip reguliariai žybsintį, arba pulsuojantį, spinduliuotės šaltinį – iš čia kilo ir jų pavadinimas. Kiekvienas pulsaras sukasi savitu dažniu, kuris laikui bėgant nekinta; apskritai pulsarus galima naudoti kaip laikrodžius, jų tikslumas prilygsta atominiams laikrodžiams. Žiūrėdamas į keletą pulsarų, stebėtojas gali nustatyti ne tik kitų objektų kryptis (t. y. susidaryti atskaitos sistemą), bet ir išmatuoti atstumą iki Žemės bei savo judėjimo kryptį ir greitį. Tam tereikia žinoti, kuriuo metu ir kaip dažnai Žemę pasiekia stebimų pulsarų žybsniai; tada, lygindamas šią informaciją su savo matoma, stebėtojas gali nustatyti, kiek skiriasi jo atstumas nuo pulsarų, lyginant su pulsarų atstumu nuo Žemės. Pavyzdžiui, jei kokio nors pulsaro signalai ateina sekunde anksčiau, nei Žemėje, vadinasi stebėtojas yra 300 tūkstančių kilometrų arčiau pulsaro. Tokiai navigacijai naudojami pulsarai, apsisukantys greičiau nei per sekundę, bet matuodami daugelio jų pulsų atėjimo laikus, galime išmatuoti ir daug didesnius atstumus, nei pulsaro sukimosi trukmė, padauginta iš šviesos greičio.

Pirmasis sėkmingas navigacijos sistemos, paremtos pulsarų stebėjimu, bandymas atliktas beveik prieš dvejus metus. Tąkart Tarptautinėje kosminėje stotyje įrengtas prietaisas NICER, skirtas neutroninių žvaigždžių stebėjimams, buvo panaudotas apskaičiuoti stoties padėčiai. Gauti rezultatai puikiai atitiko tikrąją stoties padėtį, taip pat tiksliai išmatuoti ir stoties judėjimo greitis bei kryptis. Dabar sistema tobulinama ir ieškoma būdų, kaip ją įdiegti erdvėlaiviuose.

Pulsarų navigacija turi dar vieną privalumą, lyginant su stebėjimais iš Žemės: ji yra autonomiška. Pavyzdžiui, erdvėlaivis kur nors prie Jupiterio, norėdamas sekti savo buvimo vietą pagal stebėjimus iš Žemės, visada gauna daugiau nei valanda vėluojančią informaciją: šviesa nuo Jupiterio iki mūsų keliauja ilgiau nei pusvalandį, taigi Žemėje matome pusvalandžiu pasenusią erdvėlaivio padėtį, o dar tiek pat užtrunka nusiųsti šiuos duomenis erdvėlaiviui. Tuo tarpu pulsarų matavimai būtų vykdomi pačiame erdvėlaivyje ir jo padėtį nurodytų labai tiksliai ir greitai. Tai bus ypač svarbu, kai kosmose toli nuo Žemės skraidys žmonės, nes tada tikslus padėties žinojimas gali lemti ne tik erdvėlaivio, bet ir jo įgulos saugumą.

Taigi žvaigždės, nuo seniausių laikų rodžiusios kelią nuotykių ieškotojams, nepraranda šios prasmės ir šiandien. Jau netolimoje ateityje jos rodys mums kelią tarp planetų, o kada nors – galbūt ir tarp žvaigždžių.

P. S. Rengdamas tekstą naudojausi New Scientist straipsniais apie pulsarų ir kvazarų naudojimą navigacijoje.