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Come navigare nello spazio interstellare

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Volando fuori dal Mos Eisley Space Port, il Millennium Falcon trasporta i nostri avventurieri al largo di Tatooine portando Luke Skywalker nello spazio. Mentre un Imperial Star Destroyer si avvicina, Luke si lamenta del ritardo di Han Solo nel saltare nell’Iperspazio. 

Ci vuole tempo per fare questi calcoli attraverso il “Navicomputer” del Falcon. Han spiega che altrimenti potrebbero “volare attraverso una stella” o “uscire troppo vicino a una supernova

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I calcoli celesti sono necessari per capire dove stai andando. In Star Wars questi vengono eseguiti dai computer delle navi, o dagli affidabili droidi astromeccanici come R2-D2. 

Ultimamente sono state condotte simulazioni della capacità di una nave senza equipaggio di navigare autonomamente nello spazio interstellare. Sebbene queste navi non siano poi così veloci, le simulazioni tengono conto di velocità fino alla metà della velocità della luce. Create da Coryn AL Bailer-Jones del Max Plank Institute for Astronomy, queste simulazioni possono essere il nostro primo passo per creare i “Navicomputers“.

L’oggetto più distante che abbiamo inviato nell’Universo è la sonda spaziale Voyager 1. Le sonde come la Voyager aggiornano la loro posizione tramite radar e segnali radio con la Terra. In questo modo è possibile monitorare la posizione in tempo reale delle Voyager. 

La posizione del velivolo viene triangolata utilizzando due stazioni terrestri sulla Terra e quindi la posizione di un oggetto luminoso noto vicino alla posizione apparente (in direzione ma non vicino) della navicella spaziale come un quasar. Questo sistema di tracciamento è come un gigantesco cordone ombelicale basato sulla luce che collega il velivolo alla Terra. 

Ma questi velivoli non hanno i propri Navicomputer o unità R2. Tutta la guida dipende dalla connessione con la Terra. Una volta che il veicolo spaziale è fuori dalla portata del segnale, o se il segnale viene interrotto, il velivolo non ha un modo interno per navigare. Sonde come Voyager alla fine perderanno la connessione con la Terra e saranno lasciate alla deriva per centinaia di milioni di anni. Potremmo non sapere mai dove finiranno o se qualcuno le troverà.

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In un mare di stelle

Se stiamo pianificando di inviare velivoli nello spazio profondo, questi avranno bisogno di un modo per navigare e apportare correzioni di rotta senza istruzioni dalla Terra. Un metodo proposto è fare riferimento a pulsar note. Le pulsar sono i resti di stelle morte create dalle esplosioni di supernove. 

Quando le stelle collassano violentemente, il loro momento angolare o rotazione viene trasferito a un oggetto sempre più piccolo: un po’ come un pattinatore che stringe le braccia al corpo. Queste pulsar ruotano con frequenze note a distanze note. Potrebbero essere usati come satelliti GPS interstellari per determinare dove ti trovi nello spazio 3D. 

Tuttavia, c’è qualche dibattito su quanto sia accurato questo sistema in quanto si può fare fare affidamento solo su una manciata di pulsar e polvere / gas spaziale, chiamato Interstellar Medium, cosa che potrebbe introdurre errori nei calcoli.

Quindi Bailer-Jones suggerisce un metodo antico quanto la navigazione sul mare. Usare un sestante. La navigazione celeste è già stata fatta per secoli sull’oceano. Le navi utilizzavano un sestante per misurare l’angolo o la “distanza angolare” tra una stella o il Sole e l’orizzonte al fine di calcolare la posizione sulla superficie terrestre.

Un veicolo spaziale nelle profondità dello spazio interstellare potrebbe utilizzare una tecnica simile per misurare la distanza angolare tra le stelle ed estrapolare dal loro cambiamento di posizione nel tempo la posizione della nave rispetto a loro. 

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Le stelle si muovono per due motivi mentre viaggi nello spazio. Il primo è il parallasse, il movimento percepito di un oggetto causato dal tuo cambiamento nel punto di osservazione. Puoi vedere questo cambiamento di posizione se tieni una mano alla distanza delle braccia e guardi le dita con un occhio chiuso e poi con l’altro. Le tue dita sembrano “muoversi”. Vediamo il cielo muoversi in modi simili.

Mentre la nostra Terra orbita attorno al Sole, assistiamo al cambiamento nella posizione delle stelle. Quando siamo su un lato della nostra orbita, è come se guardassimo il cielo con un occhio aperto come nell’esempio della mano. Sei mesi dopo, guardiamo con l’altro occhio dall’altra parte del Sole. La quantità di spostamento di una stella ci fornisce un calcolo della distanza da quella stella in Parsecs (ehm… Han Solo stai prestando attenzione? Parsec è una misura della distanza). 

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Una stella a una distanza di un parsec sembrerà cambiare posizione nel cielo di un “secondo d’arco” in 6 mesi della nostra orbita attorno al Sole. Un parsec si traduce in circa 3,26 anni luce. Allo stesso modo, per un veicolo spaziale in movimento, una stella a 1 parsec di distanza si sposterà di 1 secondo d’arco per ogni UA (Unità Astronomica = distanza media tra la Terra e il Sole = circa 150 milioni di Km) mentre la nave viaggia attraverso lo spazio.

A differenza dell’osservazione terrestre del veicolo spaziale, i quasar distanti non funzioneranno in questo scenario perché sono troppo lontani dal punto di vista astronomico. Il quasar più vicino alla Terra è distante mezzo miliardo di anni luce e quindi l’effetto di parallasse è praticamente invisibile. Invece, il velivolo potrebbe osservare le stelle più vicine e più luminose per effettuare misurazioni lungo il suo viaggio poiché quelle stelle dimostreranno il massimo effetto di parallasse.

Anche le stelle sembreranno cambiare posizione perché si stanno muovendo esse stesse attraverso la Via Lattea. Più siamo vicini a quelle stelle in un veicolo spaziale in movimento, più evidente sarà il loro movimento nel tempo. Il cambiamento della posizione apparente della stella nel cielo a causa del suo effettivo movimento nello spazio rispetto alla nave è chiamato “aberrazione”. 

La navicella spaziale può distinguere i cambiamenti nella posizione di una stella come dalla parallasse o dall’aberrazione. I due tipi di movimento, parallasse e aberrazione, presi insieme possono dirci due cose sul veicolo spaziale che dobbiamo sapere. La parallasse ci fornisce una posizione in tempo reale del veicolo spaziale nello spazio 3D. L’aberrazione ci fornisce la velocità del veicolo spaziale rispetto al moto di queste stelle.

Affinché il sistema funzioni, la sonda deve trasportare una mappa stellare con posizioni e velocità stellari note che sono già state mappate dalla Terra utilizzando i dati di missioni di mappe stellari come Gaia e Hipparcos

Gaia da sola sta mappando l’1% della galassia … il che non sembra molto finché non ti rendi conto che si tratta di 1 MILIARDO di stelle. Se il nostro velivolo viaggerà anche di pochi anni luce nello spazio, molto più lontano di quanto siamo mai stati, quella mappa sarà più che sufficiente.

Unità di misura angolare c. Wikipedia

Un Navicomputer simulato

Devono essere fatte alcune ipotesi sul veicolo spaziale virtuale che stiamo inviando nell’Universo che Bailer-Jones sceglie per la simulazione. Gaia può raggiungere una precisione sulle distanze angolari tra le stelle fino a sub-milliarsecondi. Misurazioni davvero raffinate. Ma per sicurezza, questa simulazione presuppone che il veicolo spaziale possa misurare almeno fino a un secondo d’arco. 

Non sappiamo quanto potranno essere potenti gli strumenti di navigazione sul velivolo. Ricorda, una sonda interstellare probabilmente deve essere compatta oltre a trasportare altre apparecchiature di rilevamento. Misurazioni angolari più accurate significano telescopi più grandi per la navigazione.

La navicella spaziale, utilizzando le mappe stellari esistenti, ha accesso alle direzioni e velocità previste delle stelle rispetto all’astronave. L’imbarcazione misura le distanze angolari tra una selezione di queste stelle e una stella di riferimento a cui è sempre puntato un sestante a bordo. 

In questo caso, quella stella potrebbe essere il nostro Sole ma qualsiasi stella potrebbe essere utilizzata e questa è una nota importante poiché il punto centrale di questo sistema è che la navigazione funziona indipendentemente da dove si è partiti.

Le simulazioni hanno posizionato il velivolo tra 0,1 e 10 anni luce dalla Terra, una stima superiore di quanto lontano andranno i nostri primi tentativi di viaggio interstellare. Ricorda che la stella più vicina alla nostra, Proxima Centauri, è a soli 4,2 anni luce di distanza. 

La simulazione della velocità della nave è su velocità che vanno da 0 a 500 km / s e su velocità relativistiche fino a 0,5c (0,5 volte la velocità della luce). Se vogliamo andare su un altro sistema solare, probabilmente dovremo viaggiare a una buona frazione della velocità della luce e la simulazione vuole capire come ciò influisce sulla nostra navigazione.

Insomma, possiamo scoprire dove ci trovi nello spazio mentre navighiamo a velocità relativistiche! 

Bailer-Jones ha anche determinato con quale grado di precisione. Ad esempio, utilizzando 10 stelle come punto di riferimento con una precisione di misurazione angolare di 1 pollice che viaggia a 0.39c, il veicolo spaziale può determinare dove si trova entro una precisione di posizione di 5 UA e una precisione di velocità di 5 km / s. Non male. 

Tuttavia, 5AU è una grande bolla di spazio. Quindi si può riprovare utilizzando 100 stelle e, in questo caso, il velivolo può localizzarsi entro 1,2 UA e determinare la sua velocità entro 0,6 km / s. Inoltre, viaggiare a velocità relativistiche non cambia la capacità complessiva del velivolo di sapere dove si trova.

Se si aumenta la precisione della misurazione della distanza angolare a 0,1 secondi d’arco, la posizione dell’imbarcazione potrebbe essere misurata entro 0,3 UA e la velocità a 200 m / s utilizzando solo 20 stelle. Pertanto, qualsiasi ulteriore capacità di aumentare la precisione di misurazione riduce il numero totale di calcoli che è necessario eseguire.

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