La navegación espacial mediante púlsares de rayos X es viable

Actualmente, la mayoría de las misiones espaciales dependen de sistemas de guiado y seguimiento desde la Tierra, lo cual implica operaciones con intervención humana y limitaciones asociadas al retraso en las comunicaciones. Los sistemas de navegación autónoma buscan reducir esta dependencia, especialmente en misiones interplanetarias o en el espacio profundo, en las que tecnologías como el GPS dejan de ser efectivas.

Un estudio liderado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en España y el Politécnico de Milán en Italia constata la viabilidad de la navegación de naves espaciales basada en púlsares de rayos X (XNAV, por sus siglas en inglés) en el espacio profundo.

Los púlsares, estrellas de neutrones que giran rápidamente y con un intenso campo magnético, emiten señales periódicas y estables a modo de “faros cósmicos”, por lo que constituyen una fuente natural idónea para la navegación espacial.

Para evaluar la viabilidad y el rendimiento de la navegación autónoma de naves espaciales mediante púlsares de rayos X, es decir, sin intervención desde la Tierra, el estudio presenta un enfoque sistemático y realista para la selección de púlsares, teniendo en cuenta su brillo, su estabilidad temporal, su configuración geométrica y sus limitaciones de visibilidad. Además, el equipo utiliza datos de observación de la misión NICER de la NASA, un telescopio de rayos X lanzado en 2017 que estudia estrellas de neutrones, agujeros negros y otros fenómenos desde su base a bordo de la Estación Espacial Internacional, a fin de evaluar mediante simulación el rendimiento de un sistema XNAV autónomo.

“A diferencia de muchos estudios previos, hemos utilizado datos reales de observación para evaluar el rendimiento del sistema, lo que nos permite estimar de forma mucho más realista las capacidades de la navegación autónoma basada en púlsares”, afirma Sui Chen, investigadora predoctoral del Politécnico de Milán y coautora del estudio.

“El desafío no consiste simplemente en identificar los púlsares más brillantes, sino en determinar la combinación óptima de fuentes capaz de proporcionar un rendimiento de navegación preciso, exacto y estable a lo largo de toda la misión”, explica Emilie Parent, anteriormente investigadora postdoctoral del CSIC en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE).

Representación artística de navegación basada en púlsares en el espacio profundo. (Imagen: ESA)

Una alternativa viable para el futuro de la exploración espacial

El sistema de navegación XNAV se ha puesto a prueba utilizando un filtro de Kalman extendido (un algoritmo para estimar el estado de la nave espacial combinando un modelo dinámico con mediciones externas en condiciones de incertidumbre) en dos supuestos distintos. El primero: en órbita terrestre baja; y, el segundo: durante un viaje de la Tierra a Júpiter. Además, el equipo ha utilizado los datos de la misión NICER para construir perfiles de pulsos de púlsares realistas y para estimar las incertidumbres de medición basándose en simulaciones construidas sobre datos reales, extrapolando todo esto a varios tipos de futuros detectores de rayos X.

Los resultados muestran que los púlsares que emiten grandes cantidades de energía, como el púlsar del Cangrejo (PSR B0531+21) situado en la nebulosa del Cangrejo, pueden alcanzar una alta precisión (por debajo de 7 kilómetros en órbita terrestre baja), pero presentan una baja estabilidad a largo plazo. Por su parte, los púlsares de milisegundos (con periodos de rotación de entre 1 y 10 milisegundos) ofrecen una mayor fiabilidad a largo plazo a costa de una menor precisión de navegación.

“Hemos querido dar un paso importante hacia sistemas de navegación capaces de operar de manera autónoma en el espacio profundo por mucho tiempo, limitando progresivamente la dependencia hacia infraestructuras terrestres”, afirma Nanda Rea, investigadora del ICE y del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), y coautora del estudio.

El estudio se titula “Pulsar selection criteria and performance evaluation of autonomous X-ray pulsar navigation systems”. Y se ha publicado en la revista académica Acta Astronautica. (Fuente: ICE / CSIC)