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相信大家通过网络已经对脉冲星有了初步的认识，它就是高速自旋的中子星，如图１所示。那我今天重点讲一下自转周期为毫秒级的脉冲星（毫秒脉冲星）在空间导航中的意义。在近地轨道空间，全球导航卫星系统（GNSS）可以满足地球表面设施、空间飞行器的米级导航精度。但当飞行器一旦进入深空，人类的测控手段就比较少了，地面站测控也存在着信号延迟等问题。实现深空航天器的完全自主导航是空间科学家的一个梦想。而毫秒脉冲星发出的稳定周期脉冲信号非常类似于GNSS观测信息，不仅可以提供距离测量信息进行位置确定，而且周期信号中还包含了授时信息，这是天文导航所不能比拟的。
图１脉冲星示意图
尽管其最终要用于深空自主导航，但不同组织都不约而同地在近地轨道空间争相开展脉冲星导航的实验。2016年11月，中国航天科技集团发射了脉冲星试验卫星（XPNAV-1），事后数据分析表明可提取X射线波段的蟹状星云（ Crab）脉冲信号。2017年，中科院高能所和空间应用中心科研人员利用天宫二号上的伽马暴偏振探测器（POLAR）观测数据完成了我国首次脉冲星导航空间实验，提取了Crab脉冲信号，如图2所示，并进行了天宫二号的位置解算，精度达到10公里左右。
图2 左图：Crab星云（图片来自哈勃官网），右图：POLAR对Crab脉冲星的观测结果
美国 NASA在X射线脉冲星导航方面的研究就更进一步了。NASA在国际空间站上开展了中子星内部组分探测研究（NICER），并在其中部署了X射线计时和导航技术验证项目（SEXTANT）。该项目从2017年 6月开始在国际空间站上开展在轨实验，并于2017年底证实其成功完成首次空间在轨X射线脉冲星导航技术验证。在轨定轨精度可达到5公里，如图3所示，通过进一步调试，定轨精度有望达到1公里。同时还验证了利用X射线脉冲星进行授时的可行性。所以未来 X射线脉冲星观测有望成为类似于GNSS的导航系统，服务于地月以远的深空，甚至是太阳系外的飞行器。这就是脉冲星在导航方面的重大意义。
最后补充一句：我国天宫二号安装的POLAR探测器并不是为脉冲星导航实验专门设计的，测量的是高能段X射线，光子流量比较少，而且探测面积也不大，这也是在POLAR 导航精度要稍差于SEXTANT项目结果的一个重要原因。
图3 Crab脉冲星导航结果，位置精度优于5公里（来自于SEXTANT项目）
航天小生张伟
上海科技报科普问答主持人：主任记者 吴苡婷
所谓脉冲星就是高速旋转的中子星。脉冲星会发出一种周期性的电波，一开始让科学家误认为是外星人发出的信号。它们事实上是一种体积小、质量大的晚期恒星的表现物。
如果用太阳做参照物，中子星的青年时代的体积比太阳大多了，是8-25倍太阳质量的恒星，太阳的个头未来只能变成白矮星。这种大个头恒星晚年时代在爆发坍缩过程中产生的巨大压力，使它的物质结构发生巨大的变化。这种压力大到什么程度呢？物质中不仅原子的外壳被压破了，连原子核也被压破了。原子核中质子和电子挤到一起又结合成中子。所有的中子挤在一起，形成了中子星。
研究脉冲星的好处有很多，有一点我们普通人很能理解，那就是脉冲星是很像我们宇宙中的航海的灯塔，它非常准确，甚至超过了氢原子钟，如果我们未来有能力进行星际旅行，这是一个很好的时间标准。
另外，脉冲星是一个强引力场研究的天然实验室，爱因斯坦大量广义相对论的预测，在那里都能得到证实，比如引力波，所以受到基础物理学家的广泛重视，磁层粒子加速机制、高能辐射、射电辐射的研究，都可以通过对脉冲星的研究，取得收获。
去年科学界有个大发现也和脉冲星有关系，过去人们认为贵金属是是在超新星爆发中诞生的；超新星爆炸是恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。近期的发现表明两个中子星的相撞是产生黄金等贵金属的根本原因。值得一提的是这两颗中子星碰撞是通过观察引力波的特殊装置发现的。
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脉冲星是中子星的一种，其名称来源于周期性检测到辐射脉冲。
目前为科学家广泛认可的理论是灯塔理论。该理论认为电磁辐射是恒定的从磁极方向发射的，由于磁极和旋转轴成一定角度，因而可以像灯塔一样周期性旋转向外辐射，而地球上观测到辐射周期性扫过，就像脉冲一样。
脉冲星灯塔模型图
脉冲星研究主要集中在于脉冲的周期研究。其意义在于引力波研究和恒星全寿命研究。
由于脉冲星发射电磁辐射后，转速会降低，据此可以研究天体的演变问题。另一方面由于毫秒级脉冲星周期非常小且非常稳定，非常小的变化都可以被检测到，可以据此检测引力波。
