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星际旅行的天然“GPS”

美国宇航局的“新视野号”探测器花了9年半的时间到达了冥王星。当它呼啸而过,飞到了太阳系中最远的地方时,却只有3周时间观察这颗矮行星。传回的图像简直惊人,它揭露了一个复杂的世界:漂浮的巨大冰山、平坦的平原和淡红色斑块,让人联想到火星。
但事实上,我们无法精确地绘制飞船进入冥王星轨道的过程,因为我们缺乏精确的导航系统。然而,今年美国宇航局将展示一种新形式的天体导航,精度远远优于10年前。这个系统不是依靠地球的时钟(我们现在使用的),而是依赖于宇宙中最可靠的钟表——快速旋转的恒星残骸,即脉冲星。

脉冲星——新型天体导航.jpg

 

为何追求新型导航?

目前,在近地球轨道的宇宙飞船,包括国际空间站,都使用我们熟悉的全球定位系统(GPS),告诉我们它们在哪里。
GPS是一种在距离地面2万千米的高度上环绕地球的卫星网络。能同时接收3颗及3颗以上卫星的信号,GPS接收器根据接收到的信号就可以计算出每一个信号的距离是多远,我们就能推算出测量地点的三维坐标。不过,如果离地球太远的话,用GPS进行定位就有些困难了。比如,如果我们发射一艘宇宙飞船,飞向月球背面,那么就没办法使用全球定位系统了,因为月球背面的卫星离地球太远,发出的信号无法传播那么远的距离。
目前,美国宇航局使用的飞船跟踪系统是深空网络——位于美国加利福尼亚、西班牙和澳大利亚的巨大的射电天线系统。这些跟踪站能发送无线电信号到一个飞船探测器上,然后测量它需要多长时间才能反射回来。当两个跟踪站“看到”宇宙飞船时,你就可以确定它在天空中的角位置。迄今为止,深空网络已经帮助天文学家引导探测器接近了地球所有的行星邻居。
不过,麻烦的是,每个深空网络的跟踪站系统只覆盖了1/3的天空,所以大多数情况下,我们只能得到探测器与天线系统之间的直线距离。
除此之外,在任意时间,你通常也只能在一个跟踪站追踪探测器。而仅仅解释射电望远镜产生数据信息,清除信号通过大气层时引起的故障等工作,就足够让20名天文学家忙得不可开交了。
而且随着探测器越飞越远,深空网络的导航精度会快速下降。以冥王星为例,它距离地球大约75亿千米,深空网络的导航精度下降到200千米。而1977年美国发射的旅行者1号现在逐渐离开太阳系,离地球大约200亿千米,这个位置的导航精度下降为500千米。
随着宇宙探测器向太阳系外飞去,我们急需一种星系定位系统来为未来的星际航行做好准备。如今,人类还没有能力研制这样的定位系统,但科学家却发现了宇宙中“最明亮”的替代导航员——脉冲星。

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新型天体导航

脉冲星是高度磁化的、快速旋转的恒星残骸,是恒星在生命演化末期发生超新星爆炸而成的。它们是令人难以置信的致密星体,例如1.4倍左右太阳质量的脉冲星,直径只有20千米左右。因此脉冲星的自转速度非常惊人,大多数脉冲星每一秒就能自转好几次,其中一类被称为“毫秒脉冲星”,每秒可以旋转700多次。
当它们旋转时,脉冲星将从两极发出电磁辐射的强烈光束,波长有好几种,包括无线电波和X射线。这些光束扫过太空,很像灯塔发出的光束。脉冲有着精确的规律性,周期稳定性特别好,而且很常见,因此,科学家提议将脉冲星作为标准时间,代替人们常用的原子时钟(利用原子或分子运动计量时间),甚至利用脉冲星,可捕捉由引力波经过所引起时空上微小的扰动。
科学家认为,脉冲星(特别是毫秒脉冲星)可以很完美地替代GPS卫星。太阳系周围分散着成千上万的脉冲星,可以说,它们为人们提供的参考点无处不在。
利用这些恒星残骸发射的脉冲的精确规律,不只帮助我们更亲密接触冥王星等矮行星类星球,也可在不依赖于和地球联系的情况下,帮助载人飞船到达火星。从长远来看,它甚至可以帮助我们的子孙后代在星际太空中设定航行路线。

脉冲导航如何实现?

那么,天文学家们梦寐以求的导航星,究竟是如何运作的呢?
脉冲星的两个磁极各有一个辐射波束,根据星体自转情况,周期性地向航天器上的探测设备发射脉冲信号。
如果飞船上有测定系统,测量一个已知脉冲星发射的单个脉冲的到达时间,并将其与一个固定的参考位置的预计到达时间相比,你就可以计算出宇宙飞船-脉冲星的距离和宇宙飞船-固定点的距离。结合至少三颗脉冲星的测量结果,就可以计算出一个精确的三维定位。从而为那些星际旅行的航天器指引方向。可以说,脉冲星犹如太空之海永不熄灭的灯塔,是天造地设的导航标识。
2013年,德国马克斯普朗克地外物理研究所的沃纳·贝克尔,计算出脉冲星导航可以精确到5千米,在深太空任务中,我们或许可以降到1千米,甚至更为精准。而这一切要归功于脉冲星脉冲的惊人规律性,使距离得到精确测量。太空中的宇宙飞船会被四面八方的脉冲星围绕着,很容易就能测量脉冲。
现在,我们知道的脉冲星越来越多,目前发现和编目位置的脉冲星已达到2000多颗,其中包括超过200个毫秒脉冲星,也就是说“天体参考地图”正在不断增加。特别是下一代的射电天文台,如在澳大利亚和南非的“平方千米远射望远镜阵列”——上千座电波天线组成的电波阵列,可能会将导航脉冲星的数目增加到2万至3万之间。
所以,未来通过明亮的脉冲星——这些恒星残骸将改变我们探索太空的方式。而人类将最终使用导航技术,走出太阳系,走向银河系。

 

 

本文源自大科技*科学之谜 016年第7期杂志文章、欢迎广大读者关注我们大科技的微信公众号:hdkj1997 

 

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