| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Galaktická GPS aneb není sextant jako SEXTANT
Rudolf Mentzl
Určení vlastní polohy dnes patří k základním dovednostem mnohem více než za éry velkých námořnických objevů. Kouzelnou krabičku vyhodnocující signály z navigačních družic najdeme v téměř každém autě, slova výletník a papírová mapa nacházíme ve stejné větě již jen zřídka a kdo po dovolené neohromuje své okolí otravnými grafy převýšení, která musel na toulkách zdolat, páchá společenskou sebevraždu. To vše jen díky družicovému navigačnímu systémuGPS – globální polohovací systém, navigace pomocí družic umístěných na oběžné dráze Země. Oficiální název je NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Systém je vyvíjen 30 let a v roce 2007 byla na oběžné dráze umístěna již čtvrtá generace polohovacích družic., což v podstatě není nic jiného, než smečka atomových hodinAtomové hodiny – hodiny, jejichž základním řídícím cyklem je frekvence vyzařovaná atomem při nějakém známém přechodu mezi jeho energetickými stavy. Běžná přesnost takových hodin je dnes asi 10−9 s za den. Nejlepší atomové hodiny pracují při teplotách blízkých absolutní nule. Ty mohou dosahovat až fascinující přesnosti desetiny sekundy za dobu, co existuje vesmír. vysílajících přesný čas a informace o své poloze. Nedávno tiskem prolétla zpráva, že se vysílání přesného času dá využít také pro určení polohy nejen na povrchu zemském, nýbrž i v meziplanetárním a snad i mezihvězdném prostoru. Aby bylo zkreslení učiněno zadost, zapletla se do všeho ještě informace o přepravě sextantu na mezinárodní orbitální stanici ISSISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. V roce 2008 byl k ISS připojen evropský výzkumný modul Columbus. V roce 2011 byl instalován víceúčelový americký modul Leonardo a v roce 2021 zatím poslední ruský modul Nauka. V roce 2011 letěl k ISS poslední raketoplán. Od té doby zajišťují styk se stanicí lety ruských lodí Sojuz, v poslední době se přidaly lodi Crew Dragon soukromé společnosti SpaceX. Na ISS operuje stálá posádka..
Předně konstatujme, že to vše je pravda. Na ISS byl skutečně sextant dopraven, skutečně s ním astronauti ověřovali možnosti navigace v krizových situacích, ale to nemá nic společného s navigačním programem SEXTANTSEXTANT – Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology. Experimentální zařízení pro zjištění své polohy v kosmickém prostoru. Pro výpočet využívá přesné pulzy milisekundových rádiových pulzarů., o kterém bude řeč. Také je pravda, že navigace programu SEXTANTSEXTANT – Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology. Experimentální zařízení pro zjištění své polohy v kosmickém prostoru. Pro výpočet využívá přesné pulzy milisekundových rádiových pulzarů. je založena na vysílání přesného časového údaje, ale v žádném případě nebudou jeho šíření zajišťovat navigační družice. Jistá podobnost tu však je. Princip určení polohy pomocí navigačních družicGPS – globální polohovací systém, navigace pomocí družic umístěných na oběžné dráze Země. Oficiální název je NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Systém je vyvíjen 30 let a v roce 2007 byla na oběžné dráze umístěna již čtvrtá generace polohovacích družic. je v podstatě geometrická úloha. Z rozdílu času, který vysílá družice a času kdy tuto informaci zachytíme v bodě měření, lze dopočítat vzdálenost družice, což vymezí naši polohu na povrch pomyslné koule se středem v družici. Přidáváním dalších družic se naše poloha vymezuje stále více, až se dostaneme na občanskou přesnost. Je pochopitelné, že s rozumnou přesností můžeme navigační družice využít pouze na zemském povrchu a v jeho blízkém okolí. Čím dále od ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru., tím větší nejistota, o síle signálu nemluvě. Naštěstí nám vysílání přesného signálu nabízí sám vesmír.
Logo projektu NICER. Zdroj: NASA.
|
NICER – Neutron star Interior Composition ExploreR. Zařízení pro sledování hvězdných rentgenových zdrojů, především pulzarů. Je vyzbrojeno šestapadesáti rentgenovými detektory. Přístroj je připevněn na mezinárodní kosmické stanici ISS. SEXTANT – Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology. Experimentální zařízení pro zjištění své polohy v kosmickém prostoru. Pro výpočet využívá přesné pulzy milisekundových rádiových pulzarů. Pulzar – neutronová hvězda, jejíž magnetická a rotační osa nemají shodný směr. Zářící oblasti v magnetických pólech hvězdy díky rotaci vytvářejí pro pozorovatele majákovým efektem pulzy, zpravidla radiové, výjimečně až rentgenové či gama. První pulzar byl objeven v roce 1967 Jocelyn Bellovou (dnes Jocelyn Bell Burnell) pod vedením Anthony Hewishe. Neutronová hvězda – těleso tvořené degenerovaným neutronovým plynem o hmotnosti menší než přibližně 2,2 až 3 MS (Tolmanova-Oppenheimerova-Volkoffova mez). Typický průměr neutronové hvězdy je v řádu desítek kilometrů, průměrná hustota 1017 kg m−3 dosahuje hodnot hustoty atomového jádra. Neutronové hvězdy vznikají při gravitačním kolapsu velmi hmotných červených veleobrů, při výbuchu supernovy typu II. Obrovský tlak způsobuje „vtlačení“ elektronů do protonů za vzniku neutronů a neutrin. Neutronové hvězdy byly teoreticky předpovězeny ve 30. letech 20. století. |
Pouzdro s rentgenovými koncentrátory s montáží připevněné na orbitální stanici ISSISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. V roce 2008 byl k ISS připojen evropský výzkumný modul Columbus. V roce 2011 byl instalován víceúčelový americký modul Leonardo a v roce 2021 zatím poslední ruský modul Nauka. V roce 2011 letěl k ISS poslední raketoplán. Od té doby zajišťují styk se stanicí lety ruských lodí Sojuz, v poslední době se přidaly lodi Crew Dragon soukromé společnosti SpaceX. Na ISS operuje stálá posádka..
Zdroj: NASA's Goddard Space Flight Center.
Kosmické hodiny
Již v roce 1967 objevila Jocelyn Bellová podivnou hvězdu vysílající pravidelné rádiové impulzy. Byl to objev natolik významný, že za něj v roce 1974 její šéf obdržel Nobelovu cenuNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela.. Po prvotním tápání, kdy přicházela na přetřes i taková vysvětlení, že jde o mimozemské vysílání (objekt byl pracovně nazván LGM – Little Green Men) se ustálilo označení PSR (pulsating star), neboli pulzar. Později byly objeveny další pulzary vysílající nejen v rádiovém oboru. Dnes známe i rentgenové a gama pulzary. Dlouhou dobu nebyl zřejmý mechanizmus, který by takové chování vysvětloval. Dnes si pulzarPulzar – neutronová hvězda, jejíž magnetická a rotační osa nemají shodný směr. Zářící oblasti v magnetických pólech hvězdy díky rotaci vytvářejí pro pozorovatele majákovým efektem pulzy, zpravidla radiové, výjimečně až rentgenové či gama. První pulzar byl objeven v roce 1967 Jocelyn Bellovou (dnes Jocelyn Bell Burnell) pod vedením Anthony Hewishe. představujeme jako neutronovou hvězduNeutronová hvězda – těleso tvořené degenerovaným neutronovým plynem o hmotnosti menší než přibližně 2,2 až 3 MS (Tolmanova-Oppenheimerova-Volkoffova mez). Typický průměr neutronové hvězdy je v řádu desítek kilometrů, průměrná hustota 1017 kg m−3 dosahuje hodnot hustoty atomového jádra. Neutronové hvězdy vznikají při gravitačním kolapsu velmi hmotných červených veleobrů, při výbuchu supernovy typu II. Obrovský tlak způsobuje „vtlačení“ elektronů do protonů za vzniku neutronů a neutrin. Neutronové hvězdy byly teoreticky předpovězeny ve 30. letech 20. století. s magnetickou osou mířící jiným směrem, než míří rotační osa. Ve směru magnetické osy pulzar emituje záření. Dochází tak k majákovému efektu a máme-li štěstí, ocitne se jednou za otočku ve směru vyzařování naše Země. Pak to vypadá, jako by hvězda blikala. Vzhledem k obrovské hmotnosti je otáčení velice odolné proti náhodným jevům a frekvence blikání vykazuje vysokou stabilitu srovnatelnou s přesností atomových hodinAtomové hodiny – hodiny, jejichž základním řídícím cyklem je frekvence vyzařovaná atomem při nějakém známém přechodu mezi jeho energetickými stavy. Běžná přesnost takových hodin je dnes asi 10−9 s za den. Nejlepší atomové hodiny pracují při teplotách blízkých absolutní nule. Ty mohou dosahovat až fascinující přesnosti desetiny sekundy za dobu, co existuje vesmír.. Ideální zdroj hodinového signálu. Energii k vyzařování může brát pulzar ze své rotace, z materiálu, který na něj dopadá nebo z rozpadajícího se magnetického poleMagnetar – neutronová hvězda s mimořádně silným magnetickým polem až 1012 T. Kůra je již nestabilní, praská, dochází k pravidelným magnetotřesením doprovázeným přepojením magnetických siločar a záblesky v retgenovém a měkkém gama oboru. První projevy magnetaru byly detekovány v roce 1979 (opakované záblesky gama neboli SGR). První magnetar detekovala v roce 1998 Chryssa Kouveliotou z Marshallova kosmického letového centra v NASA. Výjimečně mohou opakující se záblesky přejít v jeden mohutný, neopakovatelný záblesk.. Jakkoli nikdo nepochybuje o obecných principech, přesné modely pulzarů jsou předmětem sporů a intenzivního výzkumu. Vnést jasno se pokouší i projekt NICERNICER – Neutron star Interior Composition ExploreR. Zařízení pro sledování hvězdných rentgenových zdrojů, především pulzarů. Je vyzbrojeno šestapadesáti rentgenovými detektory. Přístroj je připevněn na mezinárodní kosmické stanici ISS..
Detail pouzdra s rentgenovými koncentrátory. Zdroj: NASA's Goddard Space
Flight Center/Keith Gendreau.
Navigace
Projekt NICER (Neutron star Interior Composition ExploreR) si klade za cíl zkoumat neutronové hvězdy především podle jejich rentgenového vyzařování, jinými slovy, sledovat rentgenové pulzary. Hlavní měřicí přístroj XTI (X-ray Timing Instrument) zahrnuje 56 rentgenových koncentrátorů s pozlacenými hliníkovými paraboloidy o úhrnné sběrné ploše 2 500 cm2. O zachycení rentgenového signálu se starají křemíkové detektory s vestavěným předzesilovačem signálu. Celé zařízení je zvenčí uchyceno na orbitální stanici ISS. Už samotné zařízení NICER přináší nedocenitelné informace pro testování modelů pulzarů. Pro kosmonautiku je však zajímavější především tím, že také poskytuje údaje projektu SEXTANT (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology). Jedná se o zařízení, které je na základě těchto informací schopno dopočítat svou polohu podobně, jako GPSGPS – globální polohovací systém, navigace pomocí družic umístěných na oběžné dráze Země. Oficiální název je NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Systém je vyvíjen 30 let a v roce 2007 byla na oběžné dráze umístěna již čtvrtá generace polohovacích družic. dopočítává svou polohu z hodinového signálu navigačních družic.
Animace vyhledávání rentgenových pulzarů pomocí pointovacího zařízení
experimentu NICER. Zdroj: NASA's Goddard Space Flight Center.
Experiment se chystal poměrně dlouho, k ISS ho vynesla vesmírná loď Dragon již v červnu minulého roku. Tím se zahájil osmnáctiměsíční program, který v těchto měsících končí, a můžeme se ptát, zda byla mise úspěšná. Co se týče informací vedoucích k lepšímu pochopení vnitřní struktury pulzarů, data byla předána, ale na vyhodnocení si budeme muset pochopitelně ještě počkat. Kdo se nicméně chce těšit na průlomovou práci, má důvod k optimismu, protože objem dat v rentgenovém oboru je bezprecedentní. Na světlejší zítřky se může těšit i meziplanetární navigace. Díky nové metodě bylo dosaženo určení polohy s přesností 5 km. V blízkosti Země se to může zdát málo, ale je třeba mít na paměti, že stejné přesnosti lze dosáhnout na libovolném místě ve Sluneční soustavě a samozřejmě i mimo ni, až nějaká sonda opět překročí její hranice. Je také jasné, jakým směrem se bude nyní ubírat další vývoj. Přístroj je třeba zmenšit a především dosáhnout plně autonomního režimu. Současná verze se neobejde bez komunikace se Zemí a stahování doplňujícícch informací.
Představení projektu NICER. Zdroj: NASA.
Odkazy
