Un GPS interplanétaire utilisant des signaux Pulsar

Naviguer dans l'espace est une affaire délicate. La méthode habituelle repose sur des stations de suivi terrestres pour calculer la distance d'un vaisseau spatial à l'aide d'ondes radio, un processus précis à un mètre près.

C'est bien pour la distance radiale, mais le suivi de la position angulaire d'un vaisseau spatial est beaucoup plus difficile en raison de la résolution angulaire limitée des antennes radio. La technologie actuelle produit une incertitude d'environ quatre kilomètres par unité astronomique de distance entre la Terre et le vaisseau spatial.

Donc pour un vaisseau spatial à la distance de Pluton, c'est une incertitude de 200 kilomètres et à la distance de Voyager 1, l'incertitude est de 500 kilomètres.

Ainsi, un moyen pour les engins spatiaux de déterminer avec précision leur propre position serait clairement utile.

Aujourd'hui, Werner Becker de l'Institut Max-Planck de physique extraterrestre en Allemagne et quelques amis ont élaboré les détails pratiques d'un système de navigation autonome utilisant des signaux pulsars. Ils disent que la technologie en cours de développement permettrait aux engins spatiaux de déterminer leur position à moins de cinq kilomètres n'importe où dans le système solaire.

L'idée d'utiliser des pulsars pour naviguer dans l'espace remonte à plusieurs décennies. Mais Becker et ses collègues disent que les analyses précédentes ont été entravées par une connaissance limitée des pulsars et de la technologie relativement volumineuse qui a été disponible pour les détecter. Ces deux choses ont radicalement changé ces dernières années.

Premièrement, le nombre d'impulsions connues augmente de manière significative. Les astronomes connaissent bien plus de 2 000 pulsars et la prochaine génération d'observatoires radio devrait en révéler des dizaines de milliers d'autres.

L'idée de base derrière ce système de navigation interplanétaire est d'utiliser les signaux de ces pulsars essentiellement de la même manière que nous utilisons les satellites GPS pour naviguer sur Terre. En mesurant le temps d'arrivée des impulsions d'au moins trois pulsars différents et en le comparant à leur temps d'arrivée prévu, il est possible de déterminer une position dans l'espace tridimensionnel.

(Étant donné que les pulsars produisent un flux d'impulsions identiques, il est possible de générer n'importe quel nombre de solutions ambiguës en faisant cela. Mais Becker et ses collègues soulignent que celles-ci peuvent être éliminées en contraignant les solutions à un volume fini autour de la position supposée.)

La faisabilité d'un tel système dépend d'un certain nombre de facteurs pratiques importants, largement déterminés par la longueur d'onde du rayonnement pulsar que le système de navigation est conçu pour détecter. Cela détermine la zone de captage de l'antenne, la consommation électrique, le poids du système de navigation, et bien sûr son coût.

Becker et ses collègues calculent que pour des ondes de 21 centimètres, le vaisseau spatial nécessiterait une antenne avec une zone de collecte de 150 mètres carrés.

Mais une meilleure idée, disent-ils, est d'utiliser des pulsars qui émettent des rayons X, car la technologie de collecte et de focalisation des rayons X s'est considérablement améliorée ces dernières années.

Une mesure de la performance des miroirs à rayons X est leur masse. Le miroir utilisé sur l'observatoire à rayons X Chandra lancé en 1999 avait une masse de 18,5 tonnes par mètre carré de surface collectrice effective. En comparaison, les optiques à micropores en verre de pointe fabriquées aujourd'hui ont une masse de seulement 25 kilogrammes pour la même zone de collecte.

Donc, l'optique à rayons X a du sens pour la navigation des pulsars, disent Becker et co. En utilisant les signaux à rayons X des pulsars millisecondes, nous avons estimé que la navigation serait possible avec une précision de ± 5 km dans le système solaire et au-delà, disent-ils.

Il n'est peut-être pas nécessaire d'avoir cette précision pour la plupart des missions envisagées à court terme. Cependant Becker et ses amis sont optimistes quant à son potentiel futur : il est clair aujourd'hui déjà que cette technique de navigation trouvera ses applications dans l'astronautique future. Comme on dit, à l'infini et au-delà…

Réf : arxiv.org/abs/1305.4842 : Navigation de vaisseau spatial autonome avec des pulsars

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