فضا و نجوم

سامانه موقعیت‌یاب کهکشانی!

جی پی اس در فضا
نوشته شده توسط تیم تحریریه علمنا

در سال ۱۸۴۶ سفر طولانی جورج و جیکوب دونر به کابوس دردناکی بدل شد. آنها در برف و در کوه‌های «سیرا نوادا» گیر افتادند و وقتی که در بهار گروه نجات به آنها رسید، بسیاری از همراهان‌شان مرده بودند. شاید اگر آنها ۱۰۰ سال دیرتر زندگی می‌کردند و تحقیق و توسعه سامانه موقعیت‌ یاب جهانی (GPS) به پایان رسیده بود، می‌توانستند زنده بمانند. اگر مسافرانی که به فضا می‌روند به سامانه‌ای برای موقعیت‌یابی دسترسی نداشته باشند، ممکن است آنها نیز به سرنوشتی شبیه به جورج و جیکوب دچار شوند. اما ظاهرا دانشمندان به راه حلی دست پیدا کرده‌اند.

آیا جی.پی.اس. در فضا هم کار می‌کند؟
در نگاه اول، استفاده از جی.پی.اس. برای موقعیت‌یابی در سفرهای فضایی، راه حلی منطقی به نظر می‌رسد؛ اما این سامانه تنها برای سفرهای روی زمین کاربرد دارد. زیرا ۲۴ ماهواره در مدار کره زمین وجود دارند که به زمین سیگنال می‌فرستند. شما برای پیداکردن موقعیت خود، حتما باید روی زمین باشید و مجهز به یک گیرنده باشید که سیگنال‌ها را از ماهواره‌ها بگیرد. اگر بالاتر از مدار «لئو» (بالاتر از ۲۰۰۰ کیلومتری از سطح زمین) باشید دیگر این سامانه جوابگوی شما نخواهد بود، زیرا ماهواره‌های جی.چی.اس. صرفا توانایی خدمات‌رسانی به مدار پایین زمین را دارند.

مسیریابی فضاپیماها در سفرهای بین‌سیاره‌ای
این به معنی سفرهای بی‌مقصد به خارج کره زمین نیست. در حال حاضر فضاپیماها در سفرهای بین‌سیاره‌ای به کمک حسگرهای خورشیدی و ستاره‌ای به همراه دستورهایی که از زمین به آنها مخابره می‌شود، در فضا جهت‌یابی می‌کنند. هنگامی که یک فضاپیما از زمین پرتاب می‌شود و به سمت سیاراتی مانند مریخ یا مشتری می‌رود، از زمین سیگنال‌هایی با استفاده از امواج رادیویی برای آن مخابره می‌شود. این پیام‌ها، انعکاس کرده و دوباره به زمین بر می‌گردند و دستگاه‌ها زمان رفت و برگشت را اندازه می‌گیرند و تغییر فرکانس که با اثر داپلر ایجاد شده را محاسبه می‌کنند. با این محاسبات فاصله فضاپیما از زمین، و موقعیت آن در فضا محاسبه می‌شود.
حال فرض کنید که می‌خواهید به نقاط دورتری از منظومه شمسی سفر کنید. هنگامی که به پلوتو می‌رسید، شش و نیم میلیارد کیلومتر از زمین دور هستید. رفت و برگشت یک سیگنال بین شما و زمین حدود ۱۱ ساعت طول می‌کشد و همین مساله تعیین موقعیت دقیق شما در فضا را بسیار مشکل‌تر می‌کند. راه بهتر این است که روی فضاپیماهای دورپرواز، دستگاهی نصب شود که موقعیت آن را به طور مستقل پیدا کند. در حال حاضر گروهی از دانشمندان و مهندسان در مرکز فضایی گودارد ناسا، روی سامانه موقعیت‌یاب کیهانی کار می‌کنند که احتمالا در آینده، فضاپیماها قادر خواهند بود از تپ‌اخترها برای جهت‌یابی استفاده کنند.

موقعیت‌یابی با ستاره‌های نوترونی
اصول کار سامانه موقعیت‌یاب جهانی به این شکل است که هر ماهواره جی.پی.اس. دارای یک ساعت اتمی دارد و ساعتی که نشان می‌دهد با ساعت گیرنده هماهنگ است. یک گیرنده می‌تواند زمان دریافت سیگنال ماهواره تا رسیدن به گیرنده را در سرعت سیگنال (سرعت نور) ضرب کند. اگر ۰۷/۰ ثانیه طول بکشد که سیگنال از ماهواره به گیرنده برسد، پس ماهواره در ۱۸۶۰۰۰ کیلومتری آن قرار دارد. به عبارت دیگر جی.پی.اس. از فواصل زمانی دقیق برای انجام محاسباتش استفاده می‌کند.
اگر یک فضاپیما سیگنالی از چیزی که در فضاست دریافت کند، آن هم می‌تواند این محاسبات را انجام دهد. جهان تنها دارای چند دستگاه محدود است که می‌توانند زمان را بسیار دقیق انداز‌ گیری کنند. آنها «تپ‌ اختر» نامیده می‌شوند؛ ستاره‌های نوترونی که سریع به دور خودشان می‌چرخند و پالس‌های الکترومغناطیسی از خود ساطع می‌کنند. این ستاره در نقطه‌ای از زندگی‌اش بسیار درخشنده و بزرگ بوده، سپس از تمامی سوخت هسته‌ای خود استفاده کرده و بر اثر انفجار مهیبی مرده است. محصول آن انفجار یک ستاره نوترونی چرخان است که خواص مغناطیسی قوی دارد و از قطب‌هایش پرتوهای پر انرژی ساطع می‌کند. با چرخش ستاره، این پرتوها پخش می‌شوند. یک بیننده از زمین نمی‌تواند خود ستاره را ببیند، اما پالس‌های آن را در فضا مشاهده می‌کند.
برخی تپ اخترها در هر چند ثانیه چشمک می‌زنند و برخی دیگر سریع‌تر این کار را می‌کنند. آنها همیشه با فرکانس مشخصی چشمک می‌زنند و با این فرکانس می‌توان زمان را اندازه‌گیری کرد. در واقع آنها به اندازه ساعت‌های اتمی دقت دارند. در سال ۱۹۷۴ دانشمندی در آزمایشگاه چت پیشران ناسا، ایده استفاده از تپ اختر را به عنوان ساعت اتمی مطرح کرد. دانشمندان در آن زمان چیزی در مورد این ستاره‌های اسرار آمیز نمی‌دانستند و این ایده تنها به روی کاغذ ماند.
در طی سال‌ها این حوزه پیشرفت کرد و دانشمندان توانستند تپ اخترهای بیشتری را کشف کنند. مثلا در سال ۱۹۸۲ دانشمندی تپ اختری را کشف کرد که دوره زمانی ارسال پالس‌هایش از ۲۰ میلی ثانیه کمتر بود. در سال ۱۹۸۳ باز هم نمونه دیگری پیدا شد. تمامی این کشف ها کمک کرد تا ایده استفاده از تپ‌اختر به عمل تبدیل شود.

جی. پی. اس. کهکشانی
با اینکه جی. پی. اس. مورد استفاده ما در روی زمین به درد سفر بین سیاره‌ای نمی خورد، اما اصولش برای سامانه‌های جهت‌یابی کاربرد دارد. در واقع تپ اخترها شباهت‌های زیادی به ماهواره‌های جی.پی.اس. دارند. سه شباهت مهم این دو به شرح زیر است:
* همان‌طور که برای موقعیت‌یابی در روی زمین به ۴ ماهواره جی.پی.اس. یا بیشتر برای تشخیص محل نیاز است، برای تشخیص موقعیت در فضا نیز باید بیش از یک تپ‌اختر وجود داشت باشد تا محل دقیق فضاپیما در فضا مشخص شود. خوشبختانه ستاره‌شناسان بیش از ۲۰۰۰ تپ اختر را تاکنون شناسایی کرده‌اند. بهترین تپ اخترها برای این کار، آنهایی هستند که یک بار در هر میلی‌ثانیه روشن و خاموش می‌شوند و پرتو ایکس قوی از خود ساطع می‌کنند.
* به وسیله‌ای نیاز است که پرتوهای ساطع شده از تپ اختر را دریافت کند. این وسیه در نقش گیرنده جی. پی. اس. است، اما به جای سیگنال‌های رادیویی باید به پرتوهای ایکس حساس باشد و آنها را دریافت کند. تلسکوپ‌های اشعه ایکس بسیار بزرگ هستند و نمی‌توان از آنها به عنوان گیرنده در فضاپیماها استفاده کرد. اما می‌توان در آینده نمونه‌های کوچک‌تری از چنین گیرنده‌هایی را برای فضاپیماها ساخت.
* الگوریتم‌های محاسباتی برای تعیین موقعیت توسط ماهواره‌های جی.پی.اس. با تپ‌اخترها به هم شبیه هستند. از طرفی دیگر، بخش زیادی از معادله‌های پیچیده‌ای که برای محاسبه متغییرهایی مثل نوسان‌های گردش تپ اختر، موج‌های گرانشی و پلاسما و حرکت موج،ها حل شده‌‌اند.

نگاهی به آینده
حال ناسا قصد دارد، دستگاهی با نام NICER/SEXTANT را در سال ۲۰۱۷ در ایستگاه فضایی بین‌المللی نصب کند. این دستگاه شامل ۵۶ تلسکوپ اشعه ایکس کوچک است که به هم وصل شده‌اند. این وسیله دو وظیفه مهم دارد: مطالعه ستاره‌های نوترونی برای جمع‌آوری اطلاعات بیشتر در مورد آنان و اثبات مفهوم جهت‌یابی تپ اختری. اگر این ماموریت با موفقیت انجام شود، ما یک پله به جهت‌یابی بین سیاره‌ای نزدیک‌تر خواهیم شد.

درباره نویسنده

تیم تحریریه علمنا

دیدگاه شما چیست