星際旅行未來要靠它

杭蘇

美國宇航局的“新視野號”探測器于2006年發射，在此之前已高速飛行了9年半，飛行距離達到48億千米，是目前人類發射的速度最快的太空飛行器。花了9年半的時間到達冥王星，當它呼嘯而過，飛到了太陽系中最遠的地方時，卻只有3周時間觀察這顆矮行星。傳回的圖像簡直驚人，它揭露了一個復雜的世界：漂浮的巨大冰山、平坦的平原和淡紅色斑塊，讓人聯想到火星。

事實上，我們無法精確地繪制飛船進入冥王星軌道的過程，因為我們缺乏精確的導航系統。然而，今年美國宇航局將展示一種新形式的天體導航，精度遠遠優于十年前。這個系統不是依靠我們現在使用的地球的時鐘，而是依賴于宇宙中最可靠的鐘表——快速旋轉的恒星殘骸，即脈沖星。

追求新型導航

GPS是一種在距離地面2萬千米的高度上環繞地球的衛星巡航系統。目前，在近地球軌道的宇宙飛船，包括國際空間站，都使用我們熟悉的全球定位系統GPS，告訴我們它們在哪里。GPS能同時接收3顆及3顆以上衛星的信號，接收器根據接收到的信號就可以計算出每一個信號的距離是多遠，我們就能推算出測量地點的三維坐標。不過，如果離地球太遠的話，用GPS進行定位就有些困難了。比如，如果我們發射一艘宇宙飛船，飛向月球背面，那么就沒辦法使用全球定位系統了，因為月球背面的衛星離地球太遠，發出的信號無法傳播那么遠的距離。

目前，美國宇航局使用的飛船跟蹤系統是深空網絡（位于美國加利福尼亞、西班牙和澳大利亞的巨大的射電天線系統）。這些跟蹤站能發送無線電信號到一個飛船探測器上，然后測量它需要多長時間才能反射回來。當兩個跟蹤站“看到”宇宙飛船時，你就可以確定它在天空中的角位置。迄今為止，深空網絡已經幫助天文學家引導探測器接近了地球所有的行星鄰居。

不過，麻煩的是，每個深空網絡的跟蹤站系統只覆蓋1/3的天空，所以大多數情況下，我們只能得到探測器與天線系統之間的直線距離。除此之外，在任意時間，你通常也只能在一個跟蹤站追蹤探測器。而僅僅解釋射電望遠鏡產生數據信息，清除信號通過大氣層時引起的故障等工作，就足夠讓20名天文學家忙得不可開交了。而且隨著探測器越飛越遠，深空網絡的導航精度會快速下降。以冥王星為例，它距離地球大約75億千米，深空網絡的導航精度下降到200千米。而1977年美國發射的旅行者1號現在逐漸離開太陽系，離地球大約200億千米，這個位置的導航精度下降為500千米。

隨著宇宙探測器向太陽系外飛去，我們急需一種星系定位系統來為未來的星際航行做好準備。如今，人類還沒有能力研制這樣的定位系統，但科學家卻發現了宇宙中“最明亮”的替代導航員脈沖星。

新型天體導航

脈沖星這種恒星殘骸一定程度上能在太陽系精確導航，范圍甚至還可能遠遠超出太陽系之外。脈沖星是高度磁化的、快速旋轉的恒星殘骸，是恒星在生命演化末期發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倍左右太陽質量的脈沖星，直徑只有20千米左右。因此脈沖星的自轉速度非常驚人，大多數脈沖星每一秒就能自轉好幾次，其中一類被稱為“毫秒脈沖星”，每秒可以旋轉700多次。當它們旋轉時，脈沖星將從兩極發出電磁輻射的強烈光束，波長有好幾種，包括無線電波和X射線。這些光束掃過太空，很像燈塔發出的光束。脈沖有著精確的規律性，周期穩定性特別好，而且很常見，因此，科學家提議將脈沖星作為標準時間，代替人們常用的原子時鐘。利用原子或分子運動計量時間，甚至利用脈沖星，可捕捉由引力波經過所引起時空上微小的擾動。

科學家認為，脈沖星特別是毫秒脈沖星，可以很完美地替代衛星。太陽系周圍分散著成千上萬的脈沖星，可以說，它們為人們提供的參考點無處不在。利用這些恒星殘骸發射的脈沖的精確規律，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系的情況下，幫助載人飛船到達火星。從長遠來看，它甚至可以幫助我們的子孫后代在星際太空中設定航行路線。

如何實現脈沖導航？

那么，天文學家們夢寐以求的導航星，究竟是如何運作的呢？脈沖星的兩個磁極各有一個輻射波束，根據星體自轉情況，周期性地向航天器上的探測設備發射脈沖信號。如果飛船上有測定系統，測量一個已知脈沖星發射的單個脈沖的到達時間，并將其與一個固定的參考位置的預計到達時間相比，你就可以計算出宇宙飛船-脈沖星的距離和宇宙飛船-固定點的距離。結合至少3顆脈沖星的測量結果，就可以計算出一個精確的三維定位。從而為那些星際旅行的航天器指引方向。可以說，脈沖星猶如太空之海永不熄滅的燈塔，是天造地設的導航標識。

2013年，德國馬克斯普朗克地外物理研究所的沃納貝克爾，計算出脈沖星導航可以精確到5千米，在深太空任務中，我們或許可以降到1千米甚至更為精準。而這一切要歸功于脈沖星脈沖的驚人規律性，使距離得到精確測量。太空中的宇宙飛船會被四面八方的脈沖星圍繞著，很容易就能測量脈沖。

目前，我們發現和編目位置的脈沖星已達到2 000多顆，其中包括超過200個毫秒脈沖星，也就是說“天體參考地圖”正在不斷增加。特別是下—代的射電天文臺，如在澳大利亞和南非的“平方千米遠射望遠鏡陣列”——上千座電波天線組成的電波陣列，可能會將導航脈沖星的數目增加到2萬至3萬之間。所以，未來通過明亮的脈沖星——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航技術，走出太陽系，走向銀河系。