編譯：小刀

校對：卷卷

古代航海中，水手們靠著夜空中的星座來辨認方向。與此類似，在星際航行中，脈衝星可以作為指明燈來進行導航。今年早些時候，NASA的科學家們成功完成了脈衝星導航的實驗驗證。那麼，什麼是脈衝星？它們又是怎樣幫助我們在星際航行時不會迷失在太空呢？讓我們一起來看看吧。

脈衝星示意圖。圖片來源：Abigail Malate | 美國物理學會

什麼是脈衝星？

一部分大質量恆星進入生命末期時會坍縮成中子星，其中能高速旋轉併發射電磁輻射的被稱作脈衝星。脈衝星的命名來源於人們觀測到它們有周期性的脈衝信號，這就類似於燈塔，脈衝星高速自轉著，並在特定的方向上輻射出信號。當它們的輻射掃過地球時，我們就能看到有規律的閃爍信號。脈衝星的一個特點是週期穩定，這是它能作為計時器的原因，在這個方面，它的精度甚至超過了原子鐘。

脈衝星像燈塔一樣發射信號。圖片來源：Abigail Malate | 美國物理學會

當我們把目光投向太空，可以通過脈衝信號閃爍的頻率以及波長來識別脈衝星。這些基本參數，能夠幫助我們實現定位。NASA的一些科學家以此獲得靈感，提出了可以借用脈衝星，利用三角測量法來確宇宙航行時飛船的位置。

發現脈衝星

脈衝星最早是貝爾在1967年首先發現的。貝爾在檢測射電望遠鏡收到的信號時，無意間看到一些有規律的脈衝信號，她還一度以為是外星文明發來的訊息，後來證實這些信號來自於一種新的天體，就是脈衝星。這在當時引起了極大的轟動。

脈衝星在天文學上有很重要的研究意義，比如在超新星爆發的研究，引力波的探測等領域都有涉及。發現脈衝星也是天文界努力在做的事情。天文學家估計，銀河系約有6萬顆可觀測的脈衝星，目前只探測到了約4.5%。中國的“天眼”——FAST射電望遠鏡有一項科學目標就是觀測脈衝星。從它正式啟動以來，截止到2018年7月12日，

蟹狀星雲脈衝星的X射線| 圖片來源：pixabay

脈衝星首次被發現的時候，先驅者計劃為正在準備將先驅者10號和11號飛行器送入太空。由於它們會是最早離開太陽系的飛行器，科學家們聯合起來製造了一塊鍍金鋁板放入其中，這塊鋁板繪製了人類以及飛行器的基本信息，試圖向偶遇先驅者號的外星人解釋飛船的來源並致以人類的問候。

先驅者10號攜帶的鍍金鋁板。圖片來源：Abigail Malate | 美國物理學會

鍍金鋁板的左側的星形圖案是當時已知的14個脈衝星的星圖。圖案上每個臂是脈衝星的信號路線圖，這14條線有以二進制方式寫上的數字，表示了每顆脈衝星的脈衝週期。線條的長度表示了這些脈衝星相對於太陽的距離。每段線條尾部的記號則表示了其交錯於銀河平面上的Z座標（空間位置）。有了這些信息，

怎麼利用脈衝星進行導航？

導航的基本思路是通過幾個不同位置的信號源，依照他們信號到達探測器的時間來測定飛船的位置。脈衝星能用來導航的關鍵在於，它們能長期輻射高穩定度的脈衝信號，另外它們在銀河系內分佈十分廣泛。利用同一個脈衝信號到達航天器的時間和達到太陽系質心的時間差，再借助三角關係可以得到飛船的觀測距離。同時探測4顆脈衝星，就可以得到飛船的位置和時間信息。

基於脈衝星三角測距的概念激發了NASA天體物理學家們的靈感，他們進行了相關的實驗探索，以驗證脈衝星是否可以在實際中作為深空航行的燈塔。

在國際空間站上，科學家們進行了SEXTANT（Station Explorer for X-Ray Timing and Navigation Technology）實驗，名字是指使用X射線定時和導航技術的空間站探測器。依據這個探測器，該團隊研究了一組由五個獨立脈衝星組成的系統，和GPS技術中使用原子鐘定時的方式類似，用觀察它們信號閃爍的方法來實現定位。

探測器靠近和遠離時看到的閃爍頻率會發生變化。圖片來源：Abigail Malate | 美國物理學會

想象一下，假如你漂浮在太空中，而五個脈衝星就在距你一定距離的地方。當你移動的時候，會觀察到這些脈衝星的信號閃爍的一些變化：如果觀察到一個脈衝星的閃爍到達提早了，說明在靠近它。如果閃爍到達晚一些，這意味著你在遠離。使用這種技術，就可以對自己在銀河系中的位置進行三維測定。

2018年1月，來自NASA的SEXTANT項目調查員Keith Gendreau宣佈了，脈衝星導航技術首次在此實驗中被成功驗證。

定位國際空間站的常規方法是計算出它相對於地球的空間位置。在此次實驗中，科學家嘗試了關閉導航系統，從下圖中的藍色曲線可以看到，空間站的位置丟失的非常快，航線的誤差隨著短短的時間變化在持續累加。綠色曲線表示將脈衝星數據添加到飛行軟件時的導航情況。我們可以看到，飛船的位置誤差保持在大約6到10英里 ——這個數字與通常的GPS的精度比起來差了很多，但考慮到是在星際航行，這個結果已經可以保證不會迷失於太空。

首例脈衝星自主導航飛行成功演示

SEXTANT的實驗結果。圖片來源：Keith Gendreau | NASA

未來該何去何從？

目前脈衝星系統還不夠完美，但研究人員的演示實驗證明了這種導航模式是可以實現的。科學家們希望脈衝星導航技術可以成為星際航行的指明燈，在未來某一天，能夠引導宇航員飛往火星和更遠的太空。

排版：卷卷

題圖來源：Abigail Malate |American Institute of Physics

翻譯來源：insightscience.org, The Future of Interstellar Navigation Might be in Following the Stars

AIP | Insight Science

https://www.insidescience.org

美國物理聯合會張錚錚供稿

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