太空没GPS迷路怎么办？脉冲星“宇宙灯塔”或帮助宇航员遨游太空

图片来源：NASA

几个世纪以来，水手们靠夜空中的星星或者灯塔在海上航行。但一旦人类过渡到在太空旅行和生活，这个等式就改变了。这就是为什么国际空间站上的科学家们正在寻找一种用于深空旅行的GPS替代品。

根据美国宇航局的一份新的声明，科学家们建议我们使用中子星——也就是超新星爆炸后恒星的残骸——作为“宇宙灯塔”，而不是依赖卫星星座。

科学家和工程师们正在利用国际空间站开发基于脉冲的导航系统，利用这些宇宙灯塔，在美国宇航局的阿尔特弥斯(Artemis)计划的月球之旅和未来的人类火星任务中，为导航提供帮助。

脉冲星，或快速旋转的中子星，是恒星发生爆炸形成超新星后所遗留下来的密核。它们以明亮而狭窄的光束发射出X射线光子，在恒星旋转时像灯塔一样扫视天空。从很远的地方看，它们似乎在发出脉冲，因此得名脉冲星。 

空间站外部的X射线望远镜，中子星内部成分探测器或NICER，收集并记录来自天空中子星的X射线。软件内置在NICER，名为SEXTANT，正在利用脉冲星的信标创建一个类似GPS的系统。这个概念，通常被称为XNAV，可以提供整个太阳系和更远的自主导航。

“GPS使用精确同步的信号。某些中子星的脉动非常稳定，从长远来看，甚至与地面原子钟一样稳定，这使其有可能以类似的方式发挥作用。” NASA马里兰州格林贝尔戈达德太空飞行中心研究员卢克·温特尼兹说。

脉冲的稳定性使得它们到达太阳系任何参考点的时间都能得到高度准确的预测。科学家们已经开发了详细的模型，可以精确地预测脉冲什么时候会到达，比如地球中心。对脉冲到达航天器探测器的时间进行计时，并将其与预计到达参考点的时间进行比较，可以为导航提供远超地球的信息。

“脉冲星提供的导航信息不会因为远离地球而降低，因为脉冲星分布在银河系中。” SEXTANT小组成员、导航技术专家Munther Hassouneh说。

“它有效地将全球定位系统中的‘G’从全球变成了银河系。”团队成员Jason Mitchell补充道，他是NASA太空通信和导航项目高级通信和导航技术部门的主管。“它可以在太阳系的任何地方工作，甚至可以在太阳系之外携带机器人或载人系统。”

脉冲星也可以在无线电波段观测到，但与无线电波不同的是，X射线不会被空间中的物质所延迟。此外，X射线探测器可以比无线电天线更紧凑、更小巧。

但由于X射线脉冲非常微弱，所以系统必须足够强大，才能收集到足够导航的信号。NICER的大收集区域使它接近理想的XNAV研究。未来的XNAV系统可以更小，交易规模更长的收集时间。 

“NICER尺寸大约是一台洗衣机大小，但你可以大幅减少它的大小和体积。” Mitchell说，“例如，把XNAV望远镜装进一颗小卫星里，让它能独立导航小行星带，并描绘太阳系原始天体的特征，这将是很有趣的。”

在2018年发表的一篇论文中，SEXTANT已经成功地在空间站上演示了实时脉冲导航。它还研究了利用脉冲星进行计时和时钟同步，并帮助扩大脉冲星目录，将其用作XNAV的参考点。

SEXTANT团队目前正在研究XNAV在NASA Gateway平台上的自主导航技术，以支持载人火星任务。如果宇航员需要独自返回地球，他们也可以用它来补充船上的导航能力。

“Gateway围绕月球的轨道大约为6天半，这将使我们凝视脉冲星的时间更长。” Mitchell说，“这就是贸易的来源;这个仪器就像一个桶，你在桶里装满了足够的X射线光子来测量脉冲到达的时间。你可以有一个比NICER小几分之一的探测器。”

这类实验可以使引导宇宙飞船到达目的地的宇宙灯塔向现实又迈进了一步。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：

https://phys.org/news/2020-06-future-space-cosmic-lighthouses.html