星際旅行用什麼導航？NASA推薦了脈衝星

原文以NASA test proves pulsars can function as a celestial GPS為標題

發布在2018年1月11日的《自然》新聞上

原文作者：Alexandra Witze

實驗展示了航天器如何在沒有人類指示的情況下，僅藉助脈衝星信號在深空航行。

馬里蘭州國家海港

在國際空間站，NASA的一項實驗展示了未來的太空任務將如何在深空中展開。航天器可以利用遙遠的已經坍塌了的恆星發出的時鐘般規律的信號，通過三角測量原理確定自己的位置，這有點像天體全球定位系統（GPS）。

去年11月，中子星內部組成探測器（NICER）花了一天半的時間研究一些脈衝星——它們是高速旋轉的星體遺迹，在自旋的同時發出強大的輻射光束。通過測量這些脈衝到達時間的細微差異，NICER能夠對其定位，誤差小於5千米。

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脈衝星高速旋轉，同時發出強大的輻射光束。

圖片來源：Dana Berry/NASA

這是脈衝星導航技術在太空的首次演示。未來，這種技術將能夠使航天器在不需要來自地球的常規指示的情況下，正常航行。

NASA戈達德太空飛行中心的天文物理學家、此次任務的PI Keith Gendreau說：「我們認為這項技術很有價值，非常適合將天體物理學應用於外太陽系及以外的航天探索項目。」

1月11日，Gendreau在國家海港舉行的美國天文學會會議上公布了他們的發現。

英國萊斯特大學太空研究中心主管John Pye（他本人也參與此次項目）表示，NICER的工作是在真實的航行條件下，對脈衝星導航所做的一次有意義的測試。

星體燈塔

脈衝星是恆星爆炸後高速旋轉的超高密度遺迹。一些脈衝星發射輻射暴的頻率可達到幾千分之一秒一次。幾十年來，航空工程師一直夢想使用這些規律重複的信號進行導航，就像衛星上原子鐘之於GPS的作用。

在1999年到2000年間，美國海軍研究實驗室進行了一次衛星實驗，證明在理論上航天器能夠利用脈衝星自我導航。歐洲航天局在近年來一直在探索這個理論的可行性，研究人員計算表明航天器能夠使用脈衝星給自己定位，且誤差控制在2千米內，即使航行到距離地球超過日地距離30倍的地方也可行。

2016年11月，中國發射一顆脈衝星導航試驗衛星——XPNAV-1，用於探測2,000秒差距（6,500光年）之外位於金牛座的蟹狀星雲脈衝星，這是對它能否鎖定X射線信號的初期測試。

NICER在2017年6月被安裝在空間站上。它的主要任務是測量脈衝星的大小，以更好地理解形成脈衝星的超高密度物質。名為「X射線定時和導航技術站點探測站（SEXTANT）」的脈衝星導航實驗則是額外的實驗項目。

SEXTANT記錄5顆脈衝星發射的X射線閃的時間，其中一顆是已知最近、最明亮的毫秒脈衝星。SEXTANT對每個脈衝星的觀察時間為5-15分鐘，然後自動轉向下一個。由於地球的轉動，信號到達的時間會有不同，通過測量這些細小的差異，NICER能夠獨立地計算出它在太空的位置。

無拘無束地漫遊

若沒有脈衝星導航，航天器必須按時與地面通信以確定其位置。但是這種通信——藉助NASA的深空網路等系統——不僅耗時耗財，而且航天器離地球越遠，通信越困難。用Gendreau的話說，脈衝星導航可能對外太陽系的航天器很有用，因為它能夠讓航天器自由執行許多和導航有關的任務而不用等待地面的指示。

戈達德太空飛行中心的天體物理學家、NICER團隊成員之一Zaven Arzoumanian表示，這種技術還能夠獨立檢測航天器傳統導航系統的準確率。NASA資助了此次測試，以檢驗在獵戶座飛船載人任務（計劃於2030年前發射，目的地在近地軌道之外）中，脈衝星是否能被用作備用導航方法。

據Gendreau介紹， NICER用了52台小型X射線望遠鏡，但其實可能一架就夠了。一台小型X射線望遠鏡可能只有5千克重，不會對太空任務造成太大的財務負擔，因為質量越大，發射所需的成本越高。

研究團隊計劃在接下來的幾個月里重複實驗，希望將誤差降低到一千米或以下。

Gendreau介紹說著名的NASA「旅行者號」飛船金唱片帶有一張地圖，標記了太陽系相對於14顆脈衝星的位置。如果外星文明發現了這張唱片，就可以藉助它找到地球。他說：「當我還是個孩子時，我聽到卡爾·薩根談論這張金唱片，而現在，我們真的在做了。」

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