星际航行黑暗无边，唯有这颗星可以成为宇航员指明灯

　　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。