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星际旅行靠什么导航

2019-09-20 04:15来源:光明网-《光明日报》
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  【科技随笔】??

  作者:苟利军(中科院国家天文台研究员、光明网特约科学顾问)

  日前,我国首部科幻大片《流浪地球》持续创造票房纪录。因为它的精良制作,远远超出了观众对中国科幻电影的预期。不同于贺岁档的其他大片,这是一部包含了众多科学元素的烧脑大片,引发公众的热烈讨论。

  这部电影根据刘慈欣的同名小说所改编,讲述了太阳即将毁灭,联合政府决定将地球推离现有轨道来拯救人类的故事。此前,地球联合政府发射了一个空间站为地球逃离太阳系导航。

  这部电影里的很多情节让人非常好奇,比如为地球流浪领航的太空站如何导航。未来,人类进行更远的星际旅行时,还可能用到什么样的导航系统?

  要回答这些问题,先简单回顾一下日常生活中人类是如何导航的。

  一提到导航,人们很自然地就会想到手机里的各种导航软件。它们都是利用导航卫星来确定方位的。

  手机软件导航的工作原理简单来说是这样的:在地面之上约2万公里的空间,有几十个处于不同轨道的导航卫星。每时每刻,这些卫星都会发送特有的位置和时间信号,手机中的导航卫星信号接收器可以接收到4个不同导航卫星的信号,根据接收到的信号之间的差别,就可以算出手机所在的空间位置信息。

  理论上,导航卫星处于地面之上2万公里的高空,只要在低于卫星轨道的空间,都可以通过接收导航卫星的信号来导航。目前,在地球上空运行的国际空间站,离地面大约500公里,所以它的导航可以利用导航卫星。

  最早的导航卫星是美国发射的24颗铱星。后来,一些国家为了突破美国的技术限制,也发射了自己的导航卫星,组建了卫星导航系统,比如欧洲有伽利略导航系统,中国有北斗卫星导航系统。

  未来,如果人类有机会跨入到离地面2万公里外的深空,就需要全新的导航系统。

  空间导航的核心是在每一时刻,需要知道至少四个位置的参考源。根据众多观测结果,天文学家选用不同的稳定天体源,提出了几种可能的导航系统。

  一种就是最近几年谈得比较多的脉冲星导航。

  脉冲星就是我们极为熟悉的中子星,因为磁极方向能够产生射电或者X射线辐射,当转动轴和磁极不重合,而转动轴扫过地球的时候,就会产生人类所看到的脉冲,因此被称之为脉冲星。

  某一些脉冲星转动速度特别快,转动周期可以达到毫秒量级。这些脉冲星的转动稳定性非常好,可以比拟于地球上最好的原子钟,所以脉冲星也时常被称为宇宙间的原子钟。

  到目前为止,人类已经找到了几十个类似的脉冲星,分布在银河系内距离地球几百光年到几千光年的范围。如果人类可以接收到它们的信号,并且已知它们位置的话,可以利用这些脉冲星进行星际航行。

  最近,美国NASA的一些工程师就利用国际空间站上的一个名叫NICER的天文设备对此想法进行了验证。

  NICER的英文全称是Neutron-star?Interior?Composition?Explorer,中文意思是中子星内部组成探测器,这是安装在空间站上随空间站一起运动的探测设备,它的探测波段为X射线。

  这些来自于NASA的工程师就利用这个设备在2017年对四个已知不同方位上的毫秒脉冲星进行了监测,通过上面类似的方式来计算空间站的位置。结果发现,相比较导航卫星的厘米误差,这次实验所得到的误差为将近16公里。

  尽管如此,这次实验验证了脉冲星导航的可行性。

  还有一种很好的方法,就是利用恒星来导航。在2013发射的欧洲盖亚卫星(GAIA)就计划对银河系内的10颗恒星的位置、恒星特征、距离以及运动速度进行精确测量。

  目前,科学家已经得到了第一批结果,等到这个计划的最终目标实现之后,人类就会有一个很好的银河系内星图,可以利用它来进行导航。

  或许对于接下来的银河系内的旅行,脉冲星和恒星导航已经是绰绰有余,然而天文学家们想得更远,如果人类有机会迈出银河系,进入更远宇宙的时候,能用什么来导航呢?

  银河系内的脉冲星有一定的问题,因为它们也是处于运动当中,位置并非不变。如果星际旅行的时间很漫长,人类是否有更好的位置参考系统?

  有些天文学家就提出,或许可以以那些遥远的某些星系作为参考,这些被选出来的天体就是天文学中常说的活动星系核。

  这些天体是星系中心的超大质量黑洞所产生的喷流,因为辐射非常明亮,往往比星系本身的辐射还要强很多。因为中心体积非常小,从遥远的地方去看,就像一个小点很难分辨,以至于在这类天体发现的最早期,最明亮的那一类被称为“类星体”。

  尽管这类星系也在空间运动,然而因为这些天体至少距离地球几十亿光年之外,看起来几乎不动,相比较上面提到的脉冲星位置上要稳定很多。

  法国的天文学家Charlot和他的团队在20世纪90年代末的时候选取了一些最致密和最稳定的活动星系核,建立了一个被称之为国际天球参照系统。

  经过20余年的发展和不断更新,这个系统当中从最早的包含了212个源,到现在遍布整个天空的300多个。这个系统或许也能够成为人类以后进行宇宙旅行所使用的导航系统。

  现在,随着虚拟技术的发展,人们对现实的太空探索兴趣在减少。刘慈欣在2018年克拉克想象力贡献社会奖领奖时曾说:“说好的星辰大海,你却只给了我Facebook。”

  不过,未来无论是地球附近的太空旅行,还是更远的星际旅行,都需要人类的共同努力和推动。只有这样,当地球真的面临“流浪”危险的时候,人类才真正能够坦然相对。

  科幻电影《流浪地球》引发的热潮最终也会过去,但期望更多的中国人能够在这部科幻电影的引导之下,多一些仰望星空的情怀,关注地球的未来。笔者还希望,更多的公众关注和支持我国科学的发展,这是未来国家发展的动力。

  《光明日报》( 2019-09-20?16版)

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