星际旅行的天然“GPS”
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发布时间：2022-04-24 14:52
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时间：2022-07-01 16:32
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。
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。
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*：hdkj1997
