Wie ben je? Reiziger... waar ben je? Buiten...waar ga je heen? Ga naar een verre plaats... Geconfronteerd met de drie vragen van de ziel: als de persoon die deze antwoorden geeft een individu is, dan is dat geen probleem. Wie is er niet verward en rebels geweest? Maar als het een ruimtevaartuig was dat de vraag als volgt zou beantwoorden... zouden de wetenschappers op de grond ter plekke gek worden.
Als je de sterren en de zee wilt verkennen, is het te allen tijde weten wat je positie is een basisonderwerp. Dit is echter gemakkelijker gezegd dan gedaan. Laten we er hierna kort over praten.
旅行者。图源：NASA
Hoe vind je 'Noord' in de ruimte?
Laten we ons een experiment als dit voorstellen: trek in uw woonkamer de gordijnen strak zodat u uw vingers niet echt kunt zien. Vervolgens pakt de gastheer met een nachtkijker uw hand en doet een paar stappen naar links, een paar stappen naar rechts, en draait zich dan een paar keer om in de kamer. Kortom, het is een willekeurige oefening om ervoor te zorgen dat je volledig verbijsterd bent.
Als u op dit moment wordt gevraagd uw locatie te vertellen en de richting van de deur aan te wijzen, kunt u dat dan nog steeds doen? Hoe zit het met het zeggen van "helemaal duizelig en niet in staat het noorden te vinden"?
Op dat moment zag ik dat de gastheer een fluorescerende bal met heel zwak licht op tafel legde die slechts een klein gedeelte kon verlichten, en zei: "Dit is jouw eettafel." Kunnen we meteen de richting van de deur aanwijzen? Ik ben bang dat het nog steeds niet zal werken, want met dit merkteken alleen weten we nog steeds niet waar we zijn.
Nu haalt de gastheer een fluorescerende bal tevoorschijn en zegt: "Het bankje waar je graag op zit, is hier." Op dit moment worden onze navigatievaardigheden onmiddellijk geactiveerd en kunnen we de locatie van elke inrichting in huis aanwijzen.
Met deze twee kleine lampjes als leidraad konden we zelfs achteruit naar de deur lopen. Dit komt omdat we voor een plaats zoals een kamer die kan worden vereenvoudigd tot een platte kaart, onze positie kunnen bepalen met twee duidelijke referentieobjecten.
De vraag is dus: hoe weet een detector die door de ongerepte ruimte reist zijn positie en oriëntatie?wie ik ben? Waar ben ik? Waar ga ik heen?
Wanneer een ruimtevaartuig zijn positie bepaalt, is dit vergelijkbaar met de manier waarop we dat doen in een kleine donkere kamer, behalve dat het moeilijker is om de positie te bepalen in een enorme driedimensionale ruimte. Als hij zijn bestemming nauwkeurig wil bereiken, moet hij voldoende en duidelijke referentieobjecten krijgen om zijn positie, houding en vliegrichting te kunnen beoordelen.
Alleen door naar de richting van huis te staren, kun je naar de verte rennen
De beroemde Voyager 2-sonde is daar een voorbeeld van. Hij is uitgerust met een zonnesensor en een Canopus-tracker en controleert altijd de positie van de zon en Canopus, de op een na helderste ster aan de hemel. Met deze twee sterren als referentie kunnen reizigers "helemaal achteruit" reizen om het zonnestelsel en de uitgestrektheid van de ruimte te verkennen.
Je vraagt je misschien af: waarom zouden we de op een na helderste ster moeten volgen? Waarom kies je niet voor de nummer één Sirius? Omdat Sirius te dicht bij de ecliptica staat, wordt het lichtpad gemakkelijk verstoord door verblinding vanuit de richting van de zon. Canopus staat ver genoeg van de zon verwijderd om een ideale oriëntatiereferentie te zijn.
In het tijdperk waarin Voyager werd ontwikkeld, was elk programma en elk stukje geheugen kostbaar. De methode om te bepalen "wat er in de tracker verschijnt is Canopus" was nog steeds erg primitief, namelijk het meten van de helderheid van de ster en deze terugsturen naar de aarde om te bevestigen: "Nou, dat is het, blijf ernaar staren."
Oplettende lezers zullen zeggen: stop hier: wacht even! Je zei dat de reizigers helderheidsgegevens ter bevestiging naar de aarde stuurden? Maar aangezien wat in de tracker verschijnt niet noodzakelijkerwijs Canopus is en de antenne van de detector mogelijk niet op de aarde is gericht, hoe kunt u er dan voor zorgen dat de aarde de gegevens kan ontvangen?
De wetenschappers zijn ook heel voorzichtig in hun denken. Ze vroegen de reizigers om gedurende de eerste 80 dagen van de missie uiteenlopende antennes met lage versterking te gebruiken om met de aarde te communiceren in plaats van antennes met hoge versterking voor gerichte transmissie. Op dit moment is de sonde nog niet ver gevlogen, dus zelfs als deze niet volledig naar de aarde is gericht, is er geen probleem in de communicatie tussen de twee partijen.
Tegenwoordig, wanneer geheugen niet waardevol is, slaan mensen de spectrale gegevens van veel heldere sterren op in de detector en laten deze zijn eigen oordeel vellen op basis van de helderheid en het spectrum.
Sommige fabrikanten van sterrentrackers stoppen zelfs de hoekafstanden tussen paren heldere sterren in databases. Omdat de posities van heldere sterren zeer willekeurig zijn, zijn alle afstandsgegevens uniek en zeer betrouwbaar.
De tracker ziet bijvoorbeeld twee heldere sterren, gescheiden door 27,1045°. Als je ze in de bibliotheek bekijkt, kun je meteen vaststellen dat het Sirius en Betelgeuze zijn. Nadat je snel de identiteiten van de twee partijen hebt vergrendeld, kun je het spectrum meten of een andere ster zoeken om te vergelijken, en kun je identificeren wie Sirius is en wie Betelgeuze.
Voyager 2, hij was echt verloren...
Wat zou er gebeuren als het ruimtevaartuig vliegt en plotseling uit het oog verliest waar het zich bevindt? Eén mogelijkheid is dat ze uit koers raakten en wegdreven totdat ze verdwaald waren en een ruimtevaartuig kon worden geborgen.
Nog niet zo lang geleden raakte bijvoorbeeld de legendarische sonde Voyager 2, die al 46 jaar in de ruimte vloog, bijna verdwaald. Op 21 juli stuurde NASA enkele instructies naar Voyager 2, maar er zat een bug in die de antenne die naar de aarde gericht was, 2° afbuigde. Wat is het concept van 2°?
Als je je armen een tijdje plat houdt, zullen je armen zeker trillen als je moe wordt. Door uw schouders als as te gebruiken, zullen uw armen 1° tot 2° op en neer bewegen. Op dit moment verschuiven de vingertoppen slechts een centimeter of twee. Dit komt omdat de armen van volwassenen slechts een halve meter lang zijn.
Voyager 2 heeft echter 20 miljard kilometer ver gevlogen. Deze kleine hoekafwijking van 2° zorgt ervoor dat het middelpunt van de signaalbundel 700 miljoen kilometer afwijkt van de aarde - de aarde is slechts 150 miljoen kilometer verwijderd van de zon! De zogenaamde "de kleinste fout kan duizend mijl maken", deze zin is zo toepasselijk voor het universum. Als gevolg hiervan verloor Voyager 2 het contact.
Wetenschappers op aarde sloegen vol spijt op hun dijen terwijl ze probeerden het terug te krijgen.
Op 1 augustus ontdekten ze dat het diepe ruimteverkenningsnetwerk dat met reizigers communiceert nog steeds een spoor van het 'Ik leef nog'-draaggolfsignaal kan ruiken. Op 3 augustus gebruikten wetenschappers de 100 kilowatt S-band uplink van het Deep Space Exploration Network in Canberra om in de richting van Voyager 2 te "schreeuwen":"Je moet je hoofd omdraaien~"
Deep Space Network-antenne in Canberra. Bron: NASA
Hoewel het door Voyager 2 uitgezonden signaal afweek van de aarde, kon de aarde haar positie niet verkeerd inschatten, en het gebrul trof haar zonder enige vooringenomenheid. Hoewel hij zijn hoofd schuin hield, hoorde hij het nog steeds. 37 uur na het geven van het commando ontving de aarde weer het normale signaal van Voyager 2, en mensen vonden het echt terug.
Als deze kreet niet werkt, zal Voyager 2 dan voor altijd verloren zijn? In feite is de mogelijkheid om hem terug te halen nog steeds vrij groot, omdat hij af en toe zijn houding zal corrigeren en zijn antenne opnieuw zal uitlijnen met de aarde. 15 oktober, die net voorbij is, was zo'n dag in de planning, maar die kon je het beste niet verliezen...
Fijne aanpassingen zijn essentieel
Het is belangrijk dat een ruimtevaartuig weet waar het zich bevindt, en het is ook belangrijk om zijn stand te kennen en te kunnen aanpassen. Stel dat een satelliet die wordt gebruikt om het aardoppervlak te fotograferen op zijn kop wordt gezet zonder dat hij het weet, dan is alles tevergeefs. Gelukkig hebben we, met de vooruitgang van wetenschap en technologie, geen tekort aan technologie voor ruimtepositionering en houdingsdetectie.
Kortetermijnveranderingen in de koers, stand of snelheid van het ruimtevaartuig kunnen bijvoorbeeld worden gedetecteerd met behulp van gyroscopen en versnellingsmeters. Gyroscopen gebruiken het principe van behoud van impulsmoment om richtingsveranderingen waar te nemen, en versnellingsmeters detecteren snelheidsveranderingen.
Net als de geniale jongen die in de film door de overvallers werd ontvoerd, kan hij geblinddoekt vertellen hoeveel bochten de auto heeft gemaakt (gyroscoop) en op hoeveel lichten hij heeft gewacht (versnellingsmeter). Daarna kan hij de politie naar het hol van de overvaller leiden.
De steroriëntatie die al vele malen eerder is genoemd, zorgt er niet alleen voor dat het ruimtevaartuig weet waar het zich bevindt, maar stelt het ruimtevaartuig ook in staat zijn huidige houding te kennen.
Net zoals wanneer we in onze eigen kamer zijn, zelfs zonder verwijzing naar de zwaartekracht, wanneer we naar het plafond voor ons kijken, met onze voeten naar de muur gericht en ons hoofd tegen een andere muur, weten we dat we plat liggen. Nadat het ruimtevaartuig zijn eigen houding heeft begrepen, kan het wijzen waar het observaties moet uitvoeren.
Het Hubble Deep Field werd bijvoorbeeld gesynthetiseerd na het maken van 342 beelden van een hemelgebied van slechts 2,6 boogminuten in de Ursa Major, terwijl de Kepler-telescoop zijn vizier tussen de sterrenbeelden Cygnus en Lyra vergrendelte.
Observatiegebied van de Kepler-telescoop. Beeldbron NASA
Voor ruimtevaartuigen zoals communicatiesatellieten en meteorologische satellieten die in de buurt van de aarde vliegen en die te allen tijde naar de aarde moeten zijn gericht, moeten ze ook elke keer dat ze om de aarde cirkelen, omdraaien.
Naast het volgen van sterren of het gebruik van gyroscopen om de stand te bepalen, zijn er enkele goedkope en betrouwbare methoden. Een infraroodhorizon kan bijvoorbeeld snel de cirkelvormige omtrek van de aarde waarnemen door de infraroodstraling van de atmosfeer van de aarde te vergelijken met de koude ruimte, waarbij het middelpunt van de cirkel de aarde direct onder het ruimtevaartuig is.
Het infraroodhorizon-instrument verkrijgt de omtrek van de aarde door de steile opkomst en ondergang van infraroodstraling waar te nemen, en bepaalt zijn eigen stand. De satelliet vliegt boven Xi'an. Schematisch diagram geproduceerd door de auteur
Misschien heb je nog vragen over het volgen van sterren: sterren zijn verdeeld in een driedimensionale ruimte en niet gefixeerd op een bol. Hoe kan de positie van de sterren, zelfs op een bolvormig oppervlak, terwijl het ruimtevaartuig door de ruimte raast, onveranderd blijven? Hoe kan ik dit in de database controleren?
Dit komt omdat sterren zo ver weg staan dat zelfs de dichtste bij ons staanProxima Centauri bevindt zich op een afstand van 4,22 lichtjaar.
Voyager 2 vliegt al 46 jaar hard en heeft zojuist een 2000ste van de afstand naar Proxima Centauri bereikt! Het is alsof je ons in het midden van een cirkel met een straal van twee meter plaatst, ons vraagt om deze met één millimeter over een periode van 46 jaar te vertalen, en vraagt of we enige verandering voelen. In de ogen van het ruimtevaartuig is, afgezien van de zon, de positie van de sterren vrijwel nooit veranderd.
Maar als ons ruimtevaartuig een eeuwig leven heeft, of als we eenvoudigweg op een ‘zwervende aarde’ komen en blijven vliegen en kijken, terwijl we tussen de sterren reizen, zullen de posities van de sterren in onze ogen geleidelijk veranderen, en zullen de bekende sterrenbeelden ook uit vorm raken, en zullen de bestaande methoden voor houdingsdetectie ineffectief zijn.
Er zijn uiteraard twee oplossingen. Eén daarvan is om verder weg gelegen sterrenstelsels als referentie te gebruiken. Ze staan tientallen miljoenen lichtjaren van ons vandaan, hebben een grotere schaal en zijn daarom stabieler.
De tweede is om meer informatie over de sterren te gebruiken, niet alleen over de oriëntatie, maar ook over de afstand, de eigen beweging, enz., zodat het ruimtevaartuig kan berekenen hoe de oriëntatie van de referentiester zal veranderen wanneer deze naar de plek vliegt waar hij vliegt. Om dit te kunnen doen, moeten we de afstand tot de sterren zeer nauwkeurig meten.
Samenvatten
Het is belangrijk dat een ruimtevaartuig zijn positie en houding kent, waarvoor een referentieobject nodig is, en het meest gebruikte referentieobject is een ster. Terwijl mensen zich richting de zee van sterren blijven bewegen, zullen onze sterrenkaarten zeker steeds nauwkeuriger en groter worden, waardoor meer ruimtevaartuigen naar verre oorden kunnen vliegen.
Planning en productie
Auteur丨Qu Jiong Popular Science Creator
Recensie丨Liu Yong, onderzoeker bij het National Space Science Center, Chinese Academie van Wetenschappen
Planning丨Ding Ao
Redacteur丨Bai Li