El PNT basado en púlsares podría emplearse en el espacio cislunar, donde la Space Force ya está estudiando futuras operaciones, o más lejos, en el sistema solar, donde no llegan las señales GPS, explicó Paul Ray, Jefe de astrofísica de altas energías y aplicaciones del NRL.
Al igual que los navegantes medievales se servían de la Estrella Polar como punto de referencia para atravesar el océano, los astronautas y las naves espaciales del futuro podrían recurrir a los púlsares para el posicionamiento, la navegación y la señal horaria (positioning, navigation and timing (PNT) en el espacio profundo, una capacidad que están perfeccionando los investigadores del US Naval Research Laboratory.
«Desde siempre ha existido la navegación celeste, principalmente observando los ángulos que forman las estrellas. Así es como funciona un sextante o te dice dónde están las estrellas. Esto es diferente: se trata de usar relojes en el espacio», dijo Paul Ray en una entrevista.
Esos «relojes» son púlsares, «estrellas colapsadas que se han convertido en estrellas de neutrones, que son estrellas colapsadas realmente densas, que giran y emiten haces de ondas de radio y otras radiaciones que pasan junto a la Tierra y producen parpadeos de luz», explicó Ray.
En cierto modo, el concepto es sencillo, a pesar de las décadas de investigación con múltiples telescopios sofisticados y montones de complejos cálculos matemáticos que se han empleado para demostrar su viabilidad. Los receptores detectarían, medirían y usarían esos pulsos regulares de radiación emitidos por los púlsares cada pocos milisegundos en lugar de los relojes atómicos que ahora llevan el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y satélites similares. Exquisitamente precisos, los relojes atómicos proporcionan señales horarias que permiten a los receptores determinar su distancia a los satélites GPS y, a su vez, calcular su latitud, longitud y altitud.
Los operadores, ya sean comerciales o militares, necesitan saber con precisión dónde se encuentran sus naves espaciales para garantizar que las plataformas y los dispositivos en tierra, aire, mar o cualquier otro lugar del espacio puedan recibir con fiabilidad las señales de enlace descendente que transportan los datos, por no hablar de cuándo una nave espacial está al alcance de una estación de control en tierra para enviar señales de enlace ascendente que indiquen a la nave espacial qué hacer.
Los relojes de púlsar también podrían usarse como respaldo y/o para mejorar la precisión de los PNT basados en GPS, añadió Ray. Por ejemplo, la Agencia Espacial Europea ha estado estudiando la cronometría basada en púlsares como complemento de sus satélites PNT Galileo.
Por el momento, los instrumentos para detectar las explosiones de púlsares se basan en rayos X, que no penetran la atmósfera terrestre, por lo que sólo son útiles en el espacio exterior, explicó Ray. Sin embargo, no descartó la posibilidad de que algún día esas señales de rayos X puedan convertirse y retransmitirse a plataformas terrestres.
Entre los contratos de servicios tecnológicos que HII ha obtenido recientemente se incluye el pedido de 1.300 millones de dólares de la U.S. Africa Command Personnel Recovery Enterprise Services and Solutions (PRESS).
Dónde están los púlsares (y cómo funcionan como relojes)
Aunque los astrofísicos han descubierto miles de púlsares, Ray afirmó que sólo se han localizado «seis o siete» que puedan proporcionar señales lo suficientemente regulares y fuertes como para medirlas en el corto periodo de tiempo necesario para las funciones PNT precisas.
Dicho esto, Ray explicó que incluso ese pequeño número podría permitir en el futuro la navegación fiable a través del cosmos.
«Por suerte para nosotros, están bastante bien repartidos por el cielo», añadió.
El NRL ya ha tomado parte en una demostración de viabilidad en curso dirigida por la NASA que ha estado volando desde 2017 en la Estación Espacial Internacional, usando un telescopio experimental de rayos X para caracterizar las propiedades de las estrellas de neutrones. El telescopio, llamado Neutron star Interior Composition Explorer (NICER), tiene el tamaño de una lavadora y lleva una matriz de 56 espejos pequeños, cada uno tan grande como un disco CD, dijo Ray.
El equipo acopló el NICER a un software de vuelo en el marco de una misión denominada Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology (SEXTANT) para aprovechar las observaciones de púlsares de rayos X para determinar la posición orbital de la estación espacial. El equipo de SEXTANT completó con éxito una primera demostración en noviembre de 2018.
«El trabajo diario normal de NICER es estudiar las estrellas de neutrones para sus aplicaciones astrofísicas, pero lo requisamos durante varios días y lo hicimos apuntar solo a púlsares específicos», dijo Ray. «Hicimos la primera demostración de esta navegación en tiempo real, en órbita, totalmente autónoma, utilizando sólo observaciones de púlsares».
Mientras tanto, los investigadores del NRL trabajan en el descubrimiento de nuevos «púlsares de milisegundos» para usarlos como relojes, además de contribuir a la investigación para perfeccionar las tecnologías y capacidades PNT de púlsares hasta el punto de que puedan utilizarse en el mundo real.
El 28 de junio, el Laboratorio anunció que una colaboración científica internacional, incluida su División de Ciencias Espaciales, había reaizado con éxito observaciones de púlsares para descubrir nuevas pruebas de «ondas gravitacionales que estiran y comprimen el espaciotiempo». (Las ondas gravitacionales, que se cree que son creadas por agujeros negros supermasivos, fueron predichas por primera vez por Albert Einstein en 1916 y su existencia fue demostrada casi 60 años después por el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser de la Fundación Nacional de la Ciencia).
Ray explicó que el descubrimiento de que las ondas gravitatorias tienen un pequeño efecto sobre la frecuencia de los «pulsos» de los púlsares también es importante para comprender las limitaciones de estos relojes celestes, aunque subrayó que la distorsión creada es tan pequeña que resulta insignificante para los fines rutinarios del PNT.
«No se trata de ningún fallo mortal», afirma.
Próximos pasos hacia la navegación celeste de nueva generación
Para construir una red PNT de púlsares que funcione, Ray señaló que hay varias vías que necesitan mayor desarrollo.
La primera es «aumentar el número de relojes», dijo. «Queremos encontrar más púlsares, caracterizarlos como relojes y comprender sus emisiones. Así que eso nos está dando esa señal de entrada.
«Luego, en cuanto al detector, yo diría: “¿puedo hacer un sistema detector robusto que sea tan pequeño como sea práctico, teniendo en cuenta que deberíamos tener cierta cantidad de área frontal para recoger esos fotones? … Pero se puede mejorar el fondo del instrumento. Se puede reducir el tamaño del instrumento hasta cierto punto. Se puede emplear menos energía; se puede optimizar el diseño para el espacio. Pero no es un cambio cuántico respecto a lo que se ha hecho».
Y por si alguien se pregunta por qué el NRL está llevando a cabo una investigación de este tipo, en lugar de la propia Space Force, la Armada es en realidad el cronometrador oficial del Departamento de Defensa.
El US Naval Observatory «mantiene los relojes», dijo Ray, «es decir, el sistema de tiempo mantenido por el Observatorio Naval define el tiempo para todo el DoD, y también mantienen el marco de referencia celeste, las estrellas que definen dónde está todo en el espacio que se requiere para todo tipo de sistemas navales que necesitan hacer la geolocalización.»
El propio NRL tiene además un largo historial de trabajo en el desarrollo y perfeccionamiento de relojes atómicos, incluidos los que emplea el GPS.
«El NRL tiene toda una rama, nuestro Naval Center for Space Technology, que realiza estudios a largo plazo de los relojes que utilizan para el GPS», explica Ray. «El NRL se ha dedicado a caracterizar y comprender esos relojes.
«Del mismo modo, estamos tratando de caracterizar y comprender estos relojes celestes. Y resulta que muchos de ellos son tan estables como los relojes atómicos de laboratorio. Son relojes extremadamente buenos a largo plazo. No se desvían mucho. En algunos casos no se desvían de forma mensurable, según muestran nuestras mediciones», añade.
«Los relojes son importantes», resumió Ray, «y más vale que sepas lo que hacen tus relojes en todo momento».
Fte. Breaking Defense
