追隨星光遨遊太空：未來星際旅行或使用脈衝星來導航

就像水手們在茫茫大海上可以通過群星來定位一樣，在未來的星際旅行中，宇航員們或許可以利用脈衝星、在浩瀚的宇宙中實現導航。

脈衝星與空間定位；供圖：Abigail Malate；版權：美國物理聯合會

來源 | AIP Inside Science

作者 | Abigail Malate

2018年初，美國宇航局（NASA）的科學家們成功演示了如何利用脈衝星來實現星際導航。那麼究竟什麼是脈衝星呢？它們又是如何幫助我們在浩瀚的宇宙空間中航行的呢？

何為脈衝星？

脈衝星；供圖：Abigail Malate；版權：美國物理聯合會

脈衝星的形成發生在一顆大質量的恆星變成超新星並坍縮成中子星的過程中。此後，脈衝星將繼續旋轉並向外放出電磁輻射。這些輻射出的光束會以特定的頻率閃爍，就宛如茫茫大海里燈塔上的明燈。而且，脈衝星自旋的規律性十分穩定，甚至可以媲美原子鐘在計量時間上的穩定性。

當我們觀察宇宙太空時，我們可以通過脈衝星固定的閃爍頻率和特定的光波波長來識別它們。美國航空航天局的科學家們認為，當我們在宇宙中穿行，可以把脈衝星當作可靠的信標，然後再運用三角定位的方法，準確地計算出自己所處的位置。

脈衝星首次被觀測到的時間大約和美國宇航局的「先鋒計劃」準備發射「先鋒10號」和「先鋒11號」太空飛船的時間相近。由於這兩艘宇宙飛船將是第一個離開太陽系，科學家們聯合在一起製造了一套名為「先鋒銘牌」的鋁製牌匾，並將之放置在飛船上，意在為那些可能發現宇宙飛船的外星人提供關於地球的圖像信息。

一塊「先鋒銘牌」；供圖：Abigail Malate；版權：美國物理聯合會

如上圖所示，這塊「先鋒銘牌」的左邊刻著當時所知的14顆脈衝星的方位示意圖。圖中的每條線都是一個無線電波信號，可以告知每顆脈衝星的脈衝周期。通過這些脈衝星的信息，就可以準確的定位出我們太陽系在宇宙中的空間坐標。

理論付諸實踐

正是這種利用脈衝星的三角定位法啟發了美國宇航局的天文物理學家們，他們開始測試脈衝星是否可以被用作深空導航的信標。

在國際空間站上，科學家們進行了一項名為SEXTANT（全稱「X射線空間探索計時和導航技術」）的實驗。在試驗中，研究小組觀察了五個獨立脈衝星的子集，觀測它們的脈衝節奏，就像我們在GPS技術中使用原子鐘一樣。

供圖：Abigail Malate；版權：美國物理聯合會

在這張GIF圖中，可以看到，當國際空間站靠近時，脈衝星的閃爍速度（頻率）會加快；而當它飛離時，閃爍速度（頻率）就會減慢。

現在設想一下，當你漂浮在太空中，那五個脈衝星在遠處圍繞著你。當你移動的時候，你會看到這些脈衝星發出的脈衝信號。如果有一顆脈衝星上發出的信號越來越提前到達，那麼說明你正在離它越來越近。反之，如果脈衝信號來得越來越晚，那就意味著你離它越來越遠了。使用這項技術，你就可以準確地得知你在銀河系中的三維位置信息。

在2018年1月，SEXTANT計劃的首席研究員，來自美國宇航局的基思·根德羅博士宣布並展示了這項技術的首次成功案例。

首次脈衝星導航飛行記錄；供圖：NASA/Keith Gendreau

一般情況下，國際空間站通過計算相對於地球的位置來給自己定位。在該次實驗中，科學家們關閉了這種定位功能。從上圖中藍色的曲線可以看到，空間站的自定位感應偏離的速度非常快，每隔幾個小時誤差就會持續增加。而在將脈衝星的數據加入到飛行系統中之後，空間站的定位誤差就基本能保持在10公里之內，如圖中綠色曲線所示，——當然這無法與GPS相比，但如果你是迷失在茫茫的星際空間之中，這樣的定位精度已經很不錯了。

未來會怎樣？

雖然目前利用脈衝星導航的系統還不夠完善，但研究人員的演示已經證明，這種導航模式是可行的。科學家們希望該技術能指引未來的宇航員飛向火星以及更遙遠的深空。

翻譯 | 谷大春

責編 | 高佩雯

https://www.insidescience.org/news/future-interstellar-navigation-might-be-following-stars

美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄獨家供稿

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