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星际旅行用什么导航?NASA推荐了脉冲星

Nature自然科研 2018-02-10 09:43:02 阅读:

实验展示了航天器如何在没有人类指示的情况下,仅借助脉冲星信号在深空航行。

马里兰州国家海港

在国际空间站,NASA的一项实验展示了未来的太空任务将如何在深空中展开。航天器可以利用遥远的已经坍塌了的恒星发出的时钟般规律的信号,通过三角测量原理确定自己的位置,这有点像天体全球定位系统(GPS)。

去年11月,中子星内部组成探测器(NICER)花了一天半的时间研究一些脉冲星——它们是高速旋转的星体遗迹,在自旋的同时发出强大的辐射光束。通过测量这些脉冲到达时间的细微差异,NICER能够对其定位,误差小于5千米。

星际旅行用什么导航?NASA推荐了脉冲星

脉冲星高速旋转,同时发出强大的辐射光束。

图片来源:Dana Berry/NASA

这是脉冲星导航技术在太空的首次演示。未来,这种技术将能够使航天器在不需要来自地球的常规指示的情况下,正常航行。

NASA戈达德太空飞行中心的天文物理学家、此次任务的PI Keith Gendreau说:“我们认为这项技术很有价值,非常适合将天体物理学应用于外太阳系及以外的航天探索项目。”

1月11日,Gendreau在国家海港举行的美国天文学会会议上公布了他们的发现。

英国莱斯特大学太空研究中心主管John Pye(他本人也参与此次项目)表示,NICER的工作是在真实的航行条件下,对脉冲星导航所做的一次有意义的测试。

星体灯塔

脉冲星是恒星爆炸后高速旋转的超高密度遗迹。一些脉冲星发射辐射暴的频率可达到几千分之一秒一次。几十年来,航空工程师一直梦想使用这些规律重复的信号进行导航,就像卫星上原子钟之于GPS的作用。

在1999年到2000年间,美国海军研究实验室进行了一次卫星实验,证明在理论上航天器能够利用脉冲星自我导航。欧洲航天局在近年来一直在探索这个理论的可行性,研究人员计算表明航天器能够使用脉冲星给自己定位,且误差控制在2千米内,即使航行到距离地球超过日地距离30倍的地方也可行。

2016年11月,中国发射一颗脉冲星导航试验卫星——XPNAV-1,用于探测2,000秒差距(6,500光年)之外位于金牛座的蟹状星云脉冲星,这是对它能否锁定X射线信号的初期测试。

NICER在2017年6月被安装在空间站上。它的主要任务是测量脉冲星的大小,以更好地理解形成脉冲星的超高密度物质。名为“X射线定时和导航技术站点探测站(SEXTANT)”的脉冲星导航实验则是额外的实验项目。

SEXTANT记录5颗脉冲星发射的X射线闪的时间,其中一颗是已知最近、最明亮的毫秒脉冲星。SEXTANT对每个脉冲星的观察时间为5-15分钟,然后自动转向下一个。由于地球的转动,信号到达的时间会有不同,通过测量这些细小的差异,NICER能够独立地计算出它在太空的位置。

无拘无束地漫游

若没有脉冲星导航,航天器必须按时与地面通信以确定其位置。但是这种通信——借助NASA的深空网络等系统——不仅耗时耗财,而且航天器离地球越远,通信越困难。用Gendreau的话说,脉冲星导航可能对外太阳系的航天器很有用,因为它能够让航天器自由执行许多和导航有关的任务而不用等待地面的指示。

戈达德太空飞行中心的天体物理学家、NICER团队成员之一Zaven Arzoumanian表示,这种技术还能够独立检测航天器传统导航系统的准确率。NASA资助了此次测试,以检验在猎户座飞船载人任务(计划于2030年前发射,目的地在近地轨道之外)中,脉冲星是否能被用作备用导航方法。

据Gendreau介绍, NICER用了52台小型X射线望远镜,但其实可能一架就够了。一台小型X射线望远镜可能只有5千克重,不会对太空任务造成太大的财务负担,因为质量越大,发射所需的成本越高。

研究团队计划在接下来的几个月里重复实验,希望将误差降低到一千米或以下。

Gendreau介绍说著名的NASA“旅行者号”飞船金唱片带有一张地图,标记了太阳系相对于14颗脉冲星的位置。如果外星文明发现了这张唱片,就可以借助它找到地球。他说:“当我还是个孩子时,我听到卡尔·萨根谈论这张金唱片,而现在,我们真的在做了。”

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