星际航行黑暗无边,唯有这颗星可以成为宇航员指明灯

[ 录入者:zhangms | 时间:2018-08-07 10:42:37 | 作者: | 来源:新浪科技 | 浏览:1382次 ]

来源:我是科学家iScientist

古代航海中,水手们靠着夜空中的星座来辨认方向。与此类似,在星际航行中,脉冲星可以作为指明灯来进行导航。

今年早些时候,NASA的科学家们成功完成了脉冲星导航的实验验证。那么,什么是脉冲星?它们又是怎样帮助我们在星际航行时不会迷失在太空呢?让我们一起来看看吧。

脉冲星示意图。图片来源:Abigail Malate | 美国物理学会

什么是脉冲星?

一部分大质量恒星进入生命末期时会坍缩成中子星,其中能高速旋转并发射电磁辐射的被称作脉冲星。脉冲星的命名来源于人们观测到它们有周期性的脉冲信号,这就类似于灯塔,脉冲星高速自转着,并在特定的方向上辐射出信号。当它们的辐射扫过地球时,我们就能看到有规律的闪烁信号。脉冲星的一个特点是周期稳定,这是它能作为计时器的原因,在这个方面,它的精度甚至超过了原子钟。

 

脉冲星像灯塔一样发射信号。图片来源:Abigail Malate | 美国物理学会

当我们把目光投向太空,可以通过脉冲信号闪烁的频率以及波长来识别脉冲星。这些基本参数,能够帮助我们实现定位。NASA的一些科学家以此获得灵感,提出了可以借用脉冲星,利用三角测量法来确宇宙航行时飞船的位置。

发现脉冲星

脉冲星最早是贝尔在1967年首先发现的。贝尔在检测射电望远镜收到的信号时,无意间看到一些有规律的脉冲信号,她还一度以为是外星文明发来的讯息,后来证实这些信号来自于一种新的天体,就是脉冲星。这在当时引起了极大的轰动。

脉冲星在天文学上有很重要的研究意义,比如在超新星爆发的研究,引力波的探测等领域都有涉及。发现脉冲星也是天文界努力在做的事情。天文学家估计,银河系约有6万颗可观测的脉冲星,目前只探测到了约4.5%。中国的“天眼”——FAST射电望远镜有一项科学目标就是观测脉冲星。从它正式启动以来,截止到2018年7月12日,FAST已经发现了多达43颗脉冲星。

蟹状星云脉冲星的X射线| 图片来源:pixabay

脉冲星首次被发现的时候,先驱者计划为正在准备将先驱者10号和11号飞行器送入太空。由于它们会是最早离开太阳系的飞行器,科学家们联合起来制造了一块镀金铝板放入其中,这块铝板绘制了人类以及飞行器的基本信息,试图向偶遇先驱者号的外星人解释飞船的来源并致以人类的问候。

先驱者10号携带的镀金铝板。图片来源:Abigail Malate | 美国物理学会

镀金铝板的左侧的星形图案是当时已知的14个脉冲星的星图。图案上每个臂是脉冲星的信号路线图,这14条线有以二进制方式写上的数字,表示了每颗脉冲星的脉冲周期。线条的长度表示了这些脉冲星相对于太阳的距离。每段线条尾部的记号则表示了其交错于银河平面上的Z坐标(空间位置)。有了这些信息,外星人应该可以通过这14个脉冲星的位置,以及根据三角测量来找到太阳系的位置。

怎么利用脉冲星进行导航?

导航的基本思路是通过几个不同位置的信号源,依照他们信号到达探测器的时间来测定飞船的位置。脉冲星能用来导航的关键在于,它们能长期辐射高稳定度的脉冲信号,另外它们在银河系内分布十分广泛。利用同一个脉冲信号到达航天器的时间和达到太阳系质心的时间差,再借助三角关系可以得到飞船的观测距离。同时探测4颗脉冲星,就可以得到飞船的位置和时间信息。

基于脉冲星三角测距的概念激发了NASA天体物理学家们的灵感,他们进行了相关的实验探索,以验证脉冲星是否可以在实际中作为深空航行的灯塔。

在国际空间站上,科学家们进行了SEXTANT(Station Explorer for X-Ray Timing and Navigation Technology)实验,名字是指使用X射线定时和导航技术的空间站探测器。依据这个探测器,该团队研究了一组由五个独立脉冲星组成的系统,和GPS技术中使用原子钟定时的方式类似,用观察它们信号闪烁的方法来实现定位。 

探测器靠近和远离时看到的闪烁频率会发生变化。图片来源:Abigail Malate | 美国物理学会

想象一下,假如你漂浮在太空中,而五个脉冲星就在距你一定距离的地方。当你移动的时候,会观察到这些脉冲星的信号闪烁的一些变化:如果观察到一个脉冲星的闪烁到达提早了,说明在靠近它。如果闪烁到达晚一些,这意味着你在远离。使用这种技术,就可以对自己在银河系中的位置进行三维测定。

2018年1月,来自NASA的SEXTANT项目调查员Keith Gendreau宣布了,脉冲星导航技术首次在此实验中被成功验证。

定位国际空间站的常规方法是计算出它相对于地球的空间位置。在此次实验中,科学家尝试了关闭导航系统,从下图中的蓝色曲线可以看到,空间站的位置丢失的非常快,航线的误差随着短短的时间变化在持续累加。

绿色曲线表示将脉冲星数据添加到飞行软件时的导航情况。我们可以看到,飞船的位置误差保持在大约6到10英里 ——这个数字与通常的GPS的精度比起来差了很多,但考虑到是在星际航行,这个结果已经可以保证不会迷失于太空。

首例脉冲星自主导航飞行成功演示

SEXTANT的实验结果。图片来源:Keith Gendreau | NASA

未来该何去何从?

目前脉冲星系统还不够完美,但研究人员的演示实验证明了这种导航模式是可以实现的。科学家们希望脉冲星导航技术可以成为星际航行的指明灯,在未来某一天,能够引导宇航员飞往火星和更远的太空。

 

Tags:脉冲星 超新星  天文导航

责任编辑:zhangms

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