脈衝星導航:星際旅行的太空燈塔

2020-12-07 中華人民共和國國防部

飛行在茫茫太空中的太空飛行器是如何「認路」的?未來人類的星際之旅又將怎樣開啟?讓我們一起揭開脈衝星導航的神秘面紗—— 

探尋星光閃耀的「太空燈塔」

未來,脈衝星導航將在深空探測、星際飛行和空間科學研究領域發揮重要作用,是人類遨遊太空的「引路人」。

新聞提示

11月10日,由我國自主研製的脈衝星導航試驗衛星成功發射升空。該衛星主要用於驗證脈衝星探測器性能和空間環境適應性,負責與太空中星光閃耀的「燈塔」互通「書信」,將為脈衝星探測奠定技術基礎。

脈衝星是宇宙中一種高速自轉的中子星,它所釋放的周期穩定的電磁輻射如同茫茫宇宙星海中燈塔上的探照燈,以多顆脈衝星為坐標基準就可為太空飛行器提供自主空間導航。脈衝星導航就是以脈衝星發射的X射線為天然信標,引導太空飛行器在宇宙空間進行自主航行的導航方式。一旦脈衝星導航得到應用,將解決現有地面導航方式精度不足問題,更好地服務於未來星際航行和深空探測,具有重要的戰略研究價值。

「天文時鐘」指引太空旅行

現有的導航方式是利用飛船向地球發回無線電信號,根據信號到達地面時間推算出飛船的具體運動位置。但隨著人類向深空探索的腳步大幅度邁進,未來數量「井噴」的太空飛行器對導航精度提出了更高要求,太空飛行器的精確導航已經成為所有空間任務的重中之重。作為地面導航方式的升級版,飛行器自主導航可大大減少測控站數量和系統整體耗費值,是未來深空探測的重點發展方向。

在宇宙天體中,有許許多多像太陽一樣的恆星,這些恆星也有壽命,也會「生老病死」。所謂脈衝星,就是恆星消亡變成的中子星當中,時刻進行高速自轉並發出脈衝信號的一員。被譽為最穩定「天文時鐘」的脈衝星,可以輔助飛船在導航過程中擺脫對地面依賴,直接利用宇宙星體實現自主導航。

脈衝星是宇宙星體中不知疲倦的「陀螺」,不僅自轉速度快而且周期穩。與目前廣泛應用的原子鐘相比,脈衝星發射的信號周期穩定性還要高出1萬倍以上,具有相當穩定的脈衝周期。由於表面具備較強磁場的脈衝星一直不停地自轉,兩極發射的電磁輻射如同燈塔上的探照燈一般不停掃過地球,使相應的探測器可接收到頻率穩定的周期性脈衝信號,從而為太空飛行器的空間自主導航提供了重要載體。

脈衝星導航的實現包括設備、定時、定位和導航4個關鍵環節。其中,探測器的較大質量是制約脈衝星導航實現的瓶頸。經過不斷改進,目前用於探測和接收脈衝星信號的太空儀器重量已經降低為25千克,具備了太空實用化的條件。

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    《環球時報》13日從中國航天科技集團第五研究院獲悉,中國下月將擇機發射世界首顆脈衝星導航試驗衛星,以搶佔航天前沿技術戰略制高點。航天科技集團五院脈衝星導航試驗衛星科學任務系統總設計師帥平介紹說,聽起來有些生僻的「脈衝星」,其實是死亡恆星的一種遺骸。它的密度極大,每立方釐米的脈衝星質量高達10億噸,同時它又在高速旋轉,每秒可自轉上千次。
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  • 未來可期的脈衝星計時與導航
    目前,周期測量最精確的脈衝星是毫秒脈衝星J0437-4715,其周期精度可達17阿秒(1阿秒等於十的負十八次方秒)。在精確預測了脈衝星周期後,我們可以預估每一個脈衝到達地球的精確時間。繼而,科學家們馬上想到,我們完全可以把脈衝星的這一效應應用在時間計量與導航系統中。
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  • 天眼發現2.6萬光年外的「紅背蜘蛛」脈衝雙星,正在上演炫酷舞蹈
    銀河系中有著眾多的球狀星團,是銀河系中恆星相對更加聚集的地方,也是容易找到脈衝星的地方,被稱為是毫秒脈衝星「製造工廠」,因為密集的恆星環境有利於出現高速自轉的脈衝星,迄今為止科學家們已經在銀河系中的30個球狀星團中發現了157顆脈衝星。
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    157顆脈衝星。從本質上來說,脈衝星也是中子星,由於在超新星爆發的時候,中子星形成強磁場,並且在旋轉的過程中規律性地向外發出電磁脈衝波,所以被稱為脈衝星,他被認為是宇宙中的燈塔,由於固定的自轉速度,它發出的電池脈衝波可以規律性地掃過某個地方
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    太空生物學·黃媂有一種特殊的緻密天體叫做「中子星」,起源於大質量恆星核坍縮的過程,從恆星內部的核反應逐漸生成不同元素構成的核,直到鐵核的形成,再到鐵核的坍縮形成元初的「中子星」以及伴隨著的「超新星爆發」。因此「中子星」實際上是由超新星爆發直接導致的,在爆發的過程裡面,恆星的包層被炸碎了,瀰漫到星際空間裡面,而由鐵核坍縮變成元初的「中子星」形成了一個非常緻密的天體。
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    近日,美國宇航局正式將「六分儀」技術應用在脈衝星導航中,並驗證了其在太空導航的可行性。或許有一天,脈衝星導航會成為人類太空探索的「燈塔」。有人會問,導航難道不是要靠衛星嗎?這樣,太空導航問題就轉變為求解3個位置坐標及1個時間參數的問題,脈衝星導航將會是太空導航問題的完美答案。目前,已發現的脈衝星已經超過2000顆,就像是散布在宇宙中、相距上千光年的「燈塔」,所以太空飛船不管飛到哪,都能接收到來自不同方向的「燈塔信號」。科研人員通過測量脈衝星輻射到達的時間,可計算出飛船相對於脈衝星的距離,從而得到一個方程式,解決探測器在太空中的導航難題。