¿Se reconocería un cambio de trayectoria de la nave espacial Voyager?

¿Lo detectaría el equipo de ingenieros aquí en la Tierra? ¿Cómo?

Hay dos problemas aquí.

Supongamos que la Voyager 2 (la Voyager 1 se mueve más rápido y está más lejos, por lo que el efecto será menor en la Voyager 1 que en la Voyager 2) realizó un sobrevuelo ridículamente cercano a un objeto con un tamaño y una masa similares a los de Neptuno. Tal sobrevuelo daría como resultado un delta-V de aproximadamente 8,2 km/seg . Supongamos que este delta-V es ortogonal a la línea de visión de la Tierra (peor de los casos). Incluso entonces, se necesitarían casi 41 días para volar fuera del ancho del haz de las antenas de la Red del Espacio Profundo. Hasta el día de hoy, JPL todavía recibe datos de los Voyagers diariamente. Eso da mucho tiempo para notar el cambio en la velocidad. Parece que el contacto continuo con las Voyagers podría continuar incluso frente a un sobrevuelo ridículamente cercano de un objeto ridículamente grande.

Sin embargo, un sobrevuelo tan ridículamente cercano tendría otro efecto. No "vemos" los satélites Voyager. En cambio, recibimos sus transmisiones. Los vehículos son invisibles si no podemos recibir esas transmisiones.

El problema es que un sobrevuelo no solo cambia la velocidad del satélite, sino que también cambia la orientación y la velocidad de rotación del satélite gracias al par de gradiente de gravedad. Eso está bien en el caso de un sobrevuelo planeado. No es tan bueno en el caso de un sobrevuelo no planificado cuando el vehículo tiene combustible limitado para corregir una rotación no planificada e inteligencia limitada para orientarse de modo que la antena apunte hacia la Tierra.

La única capacidad de enlace descendente actualmente disponible para las Voyagers es la transmisión de banda X, con un ancho de haz de 0,5 grados. Incluso un pequeño cambio no planificado en la actitud de la Voyager significa que nosotros en la Tierra no podríamos ver esa Voyager, al menos no hasta que la Voyager haya descubierto hacia dónde apunta y lo haya corregido. Un cambio en la tasa de actitud es un problema aún mayor. Los Voyagers tienen una cantidad muy limitada de combustible restante para el control de actitud. Si bien esa cantidad limitada de combustible es más que suficiente para durar hasta 2025, suponiendo que los vehículos vuelen a través del espacio vacío, si es suficiente para corregir un gran par de gradiente de gravedad inesperado es un asunto muy diferente.

La posición y la velocidad de la nave espacial se determinan desde la Tierra: apuntamos una antena al punto donde esperamos que esté la nave espacial e intentamos recibir su señal de radio. La posición de la antena que da la señal más fuerte da un rumbo.

Para determinar la distancia, enviamos una señal a la nave espacial y esperamos la respuesta.

Ves el problema: un cambio inesperado en la trayectoria significa que la nave espacial ya no está en la posición que esperábamos. Apuntamos la antena en la dirección equivocada y no encontramos la nave espacial.

Es posible realizar una búsqueda (barrer gradualmente la antena por el cielo), pero llevaría mucho tiempo.

Hay varias técnicas diferentes para medir la velocidad y la posición de una nave espacial. Primero, la distancia desde la Tierra se puede medir por el tiempo de ida y vuelta de una señal. Si se conoce bien el tiempo que necesita la nave espacial entre la recepción de una señal y su envío, la distancia se puede determinar con mucha precisión. A partir de dos medidas de distancia, se puede calcular la velocidad del vehículo. Es decir, la velocidad a la que se aleja de la Tierra, no la velocidad total. Existe un segundo método para calcular esta velocidad mediante la observación de la frecuencia de la señal recibida: cuanto más rápido se aleja la nave espacial de la Tierra, menor es la frecuencia (ver desplazamiento Doppler). Estas medidas pueden tener una precisión casi arbitraria, solo limitada por la duración de la observación. Un buen ejemplo es la observación de sondas haciendo un sobrevuelo de la Tierra cuya velocidad se ha medido aMenos de 1 mm/s de precisión .

La posición precisa en el espacio, por otro lado, es difícil de medir. Como escribió Hobbes, uno puede usar una antena direccional y hacer un escaneo para encontrar la mejor posición. Pero, incluso las antenas de 70 metros de la Red del Espacio Profundo tienen un ancho de haz de 0,1 grados. Podemos suponer que podemos, mediante mediciones repetidas e interpolaciones con esta antena, determinar la dirección de la nave espacial con una precisión de 0,01 grados. En el caso de la Voyager uno, a 130 AU de la Tierra, esto da como resultado un error de posición de 3 millones de kilómetros. Pero, este gran ángulo de apertura del haz enviado por la antena también tiene la ventaja de que la nave espacial no puede desaparecer fácilmente del espacio cubierto por la transmisión debido a algún cambio inesperado en la trayectoria.

En resumen, los cambios en la velocidad y la distancia desde la Tierra se pueden determinar con mucha precisión, la posición absoluta en coordenadas laterales es una tarea mucho más complicada y es difícil encontrar cambios aquí.

Además de los datos mencionados de "ida y vuelta" y "objetivo de antena", que son buenos para mediciones aproximadas (no muy aproximadas, pero no exactamente con una precisión de menos de un metro), hay una manera de triangular la posición de cualquier objeto de transmisión.

Apunte tres antenas a diferentes lugares del mundo, con temporizadores sincronizados con precisión, en la Voyager. Registre la onda entrante, registrando con precisión el tiempo de algún punto significativo.

La longitud de onda de la banda X es de unos 3 cm. Medir la velocidad es bastante simple, calcule la desviación de esa longitud de onda, causada por el "desplazamiento hacia el rojo". Pero además, si compara la fase de la ola (los tiempos de llegada de un punto específico de la misma), puede triangular la posición de la nave con extrema precisión, mucho mejor que la estimación de la "intensidad de la señal".