星際旅行未來(lái)要靠它

杭蘇

美國(guó)宇航局的“新視野號(hào)”探測(cè)器于2006年發(fā)射，在此之前已高速飛行了9年半，飛行距離達(dá)到48億千米，是目前人類發(fā)射的速度最快的太空飛行器?；?年半的時(shí)間到達(dá)冥王星，當(dāng)它呼嘯而過(guò)，飛到了太陽(yáng)系中最遠(yuǎn)的地方時(shí)，卻只有3周時(shí)間觀察這顆矮行星。傳回的圖像簡(jiǎn)直驚人，它揭露了一個(gè)復(fù)雜的世界：漂浮的巨大冰山、平坦的平原和淡紅色斑塊，讓人聯(lián)想到火星。

事實(shí)上，我們無(wú)法精確地繪制飛船進(jìn)入冥王星軌道的過(guò)程，因?yàn)槲覀內(nèi)狈_的導(dǎo)航系統(tǒng)。然而，今年美國(guó)宇航局將展示一種新形式的天體導(dǎo)航，精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于十年前。這個(gè)系統(tǒng)不是依靠我們現(xiàn)在使用的地球的時(shí)鐘，而是依賴于宇宙中最可靠的鐘表——快速旋轉(zhuǎn)的恒星殘骸，即脈沖星。

追求新型導(dǎo)航

GPS是一種在距離地面2萬(wàn)千米的高度上環(huán)繞地球的衛(wèi)星巡航系統(tǒng)。目前，在近地球軌道的宇宙飛船，包括國(guó)際空間站，都使用我們熟悉的全球定位系統(tǒng)GPS，告訴我們它們?cè)谀睦?。GPS能同時(shí)接收3顆及3顆以上衛(wèi)星的信號(hào)，接收器根據(jù)接收到的信號(hào)就可以計(jì)算出每一個(gè)信號(hào)的距離是多遠(yuǎn)，我們就能推算出測(cè)量地點(diǎn)的三維坐標(biāo)。不過(guò)，如果離地球太遠(yuǎn)的話，用GPS進(jìn)行定位就有些困難了。比如，如果我們發(fā)射一艘宇宙飛船，飛向月球背面，那么就沒辦法使用全球定位系統(tǒng)了，因?yàn)樵虑虮趁娴男l(wèi)星離地球太遠(yuǎn)，發(fā)出的信號(hào)無(wú)法傳播那么遠(yuǎn)的距離。

目前，美國(guó)宇航局使用的飛船跟蹤系統(tǒng)是深空網(wǎng)絡(luò)（位于美國(guó)加利福尼亞、西班牙和澳大利亞的巨大的射電天線系統(tǒng)）。這些跟蹤站能發(fā)送無(wú)線電信號(hào)到一個(gè)飛船探測(cè)器上，然后測(cè)量它需要多長(zhǎng)時(shí)間才能反射回來(lái)。當(dāng)兩個(gè)跟蹤站“看到”宇宙飛船時(shí)，你就可以確定它在天空中的角位置。迄今為止，深空網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)幫助天文學(xué)家引導(dǎo)探測(cè)器接近了地球所有的行星鄰居。

不過(guò)，麻煩的是，每個(gè)深空網(wǎng)絡(luò)的跟蹤站系統(tǒng)只覆蓋1/3的天空，所以大多數(shù)情況下，我們只能得到探測(cè)器與天線系統(tǒng)之間的直線距離。除此之外，在任意時(shí)間，你通常也只能在一個(gè)跟蹤站追蹤探測(cè)器。而僅僅解釋射電望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息，清除信號(hào)通過(guò)大氣層時(shí)引起的故障等工作，就足夠讓20名天文學(xué)家忙得不可開交了。而且隨著探測(cè)器越飛越遠(yuǎn)，深空網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)航精度會(huì)快速下降。以冥王星為例，它距離地球大約75億千米，深空網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)航精度下降到200千米。而1977年美國(guó)發(fā)射的旅行者1號(hào)現(xiàn)在逐漸離開太陽(yáng)系，離地球大約200億千米，這個(gè)位置的導(dǎo)航精度下降為500千米。

隨著宇宙探測(cè)器向太陽(yáng)系外飛去，我們急需一種星系定位系統(tǒng)來(lái)為未來(lái)的星際航行做好準(zhǔn)備。如今，人類還沒有能力研制這樣的定位系統(tǒng)，但科學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)了宇宙中“最明亮”的替代導(dǎo)航員脈沖星。

新型天體導(dǎo)航

脈沖星這種恒星殘骸一定程度上能在太陽(yáng)系精確導(dǎo)航，范圍甚至還可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出太陽(yáng)系之外。脈沖星是高度磁化的、快速旋轉(zhuǎn)的恒星殘骸，是恒星在生命演化末期發(fā)生超新星爆炸而成的。它們是令人難以置信的致密星體，例如1.4倍左右太陽(yáng)質(zhì)量的脈沖星，直徑只有20千米左右。因此脈沖星的自轉(zhuǎn)速度非常驚人，大多數(shù)脈沖星每一秒就能自轉(zhuǎn)好幾次，其中一類被稱為“毫秒脈沖星”，每秒可以旋轉(zhuǎn)700多次。當(dāng)它們旋轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖星將從兩極發(fā)出電磁輻射的強(qiáng)烈光束，波長(zhǎng)有好幾種，包括無(wú)線電波和X射線。這些光束掃過(guò)太空，很像燈塔發(fā)出的光束。脈沖有著精確的規(guī)律性，周期穩(wěn)定性特別好，而且很常見，因此，科學(xué)家提議將脈沖星作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，代替人們常用的原子時(shí)鐘。利用原子或分子運(yùn)動(dòng)計(jì)量時(shí)間，甚至利用脈沖星，可捕捉由引力波經(jīng)過(guò)所引起時(shí)空上微小的擾動(dòng)。

科學(xué)家認(rèn)為，脈沖星特別是毫秒脈沖星，可以很完美地替代衛(wèi)星。太陽(yáng)系周圍分散著成千上萬(wàn)的脈沖星，可以說(shuō)，它們?yōu)槿藗兲峁┑膮⒖键c(diǎn)無(wú)處不在。利用這些恒星殘骸發(fā)射的脈沖的精確規(guī)律，不只幫助我們更親密接觸冥王星等矮行星類星球，也可在不依賴于和地球聯(lián)系的情況下，幫助載人飛船到達(dá)火星。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它甚至可以幫助我們的子孫后代在星際太空中設(shè)定航行路線。

如何實(shí)現(xiàn)脈沖導(dǎo)航？

那么，天文學(xué)家們夢(mèng)寐以求的導(dǎo)航星，究竟是如何運(yùn)作的呢？脈沖星的兩個(gè)磁極各有一個(gè)輻射波束，根據(jù)星體自轉(zhuǎn)情況，周期性地向航天器上的探測(cè)設(shè)備發(fā)射脈沖信號(hào)。如果飛船上有測(cè)定系統(tǒng)，測(cè)量一個(gè)已知脈沖星發(fā)射的單個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間，并將其與一個(gè)固定的參考位置的預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間相比，你就可以計(jì)算出宇宙飛船-脈沖星的距離和宇宙飛船-固定點(diǎn)的距離。結(jié)合至少3顆脈沖星的測(cè)量結(jié)果，就可以計(jì)算出一個(gè)精確的三維定位。從而為那些星際旅行的航天器指引方向?？梢哉f(shuō)，脈沖星猶如太空之海永不熄滅的燈塔，是天造地設(shè)的導(dǎo)航標(biāo)識(shí)。

2013年，德國(guó)馬克斯普朗克地外物理研究所的沃納貝克爾，計(jì)算出脈沖星導(dǎo)航可以精確到5千米，在深太空任務(wù)中，我們或許可以降到1千米甚至更為精準(zhǔn)。而這一切要?dú)w功于脈沖星脈沖的驚人規(guī)律性，使距離得到精確測(cè)量。太空中的宇宙飛船會(huì)被四面八方的脈沖星圍繞著，很容易就能測(cè)量脈沖。

目前，我們發(fā)現(xiàn)和編目位置的脈沖星已達(dá)到2 000多顆，其中包括超過(guò)200個(gè)毫秒脈沖星，也就是說(shuō)“天體參考地圖”正在不斷增加。特別是下—代的射電天文臺(tái)，如在澳大利亞和南非的“平方千米遠(yuǎn)射望遠(yuǎn)鏡陣列”——上千座電波天線組成的電波陣列，可能會(huì)將導(dǎo)航脈沖星的數(shù)目增加到2萬(wàn)至3萬(wàn)之間。所以，未來(lái)通過(guò)明亮的脈沖星——這些恒星殘骸將改變我們探索太空的方式。而人類將最終使用導(dǎo)航技術(shù)，走出太陽(yáng)系，走向銀河系。