星际旅行没有GPS怎么办？你可能需要一座天然的“宇宙灯塔”

就像水手们在茫茫大海上可以通过群星来定位一样，在未来的星际旅行中，宇航员们或许可以用脉冲星在浩瀚的宇宙中实现导航。

2018年初，美国宇航局（NASA）的科学家们成功演示了如何利用脉冲星来实现星际导航。那么究竟什么是脉冲星呢？它们又是如何帮助我们在浩瀚的宇宙空间中航行的呢？

何为脉冲星？

▲脉冲星；供图：Abigail Malate；版权：美国物理联合会

脉冲星的形成发生在一颗大质量的恒星变成超新星并坍缩成中子星的过程中。此后，脉冲星将继续旋转并向外放出电磁辐射。这些辐射出的光束会以特定的频率闪烁，就宛如茫茫大海里灯塔上的明灯。而且，脉冲星自旋的规律性十分稳定，甚至可以媲美原子钟在计量时间上的稳定性。

当我们观察宇宙太空时，我们可以通过脉冲星固定的闪烁频率和特定的光波波长来识别它们。美国航空航天局的科学家们认为，当我们在宇宙中穿行，可以把脉冲星当作可靠的信标，然后再运用三角定位的方法，准确地计算出自己所处的位置。

脉冲星首次被观测到的时间大约和美国宇航局的“先锋计划”准备发射“先锋10号”和“先锋11号”太空飞船的时间相近。由于这两艘宇宙飞船将是第一个离开太阳系，科学家们联合在一起制造了一套名为“先锋铭牌”的铝制牌匾，并将之放置在飞船上，意在为那些可能发现宇宙飞船的外星人提供关于地球的图像信息。

▲一块“先锋铭牌”；供图：Abigail Malate；版权：美国物理联合会

如上图所示，这块“先锋铭牌”的左边刻着当时所知的14颗脉冲星的方位示意图。图中的每条线都是一个无线电波信号，可以告知每颗脉冲星的脉冲周期。通过这些脉冲星的信息，就可以准确的定位出我们太阳系在宇宙中的空间坐标。

理论付诸实践

正是这种利用脉冲星的三角定位法启发了美国宇航局的天文物理学家们，他们开始测试脉冲星是否可以被用作深空导航的信标。

在国际空间站上，科学家们进行了一项名为SEXTANT（全称“X射线空间探索计时和导航技术”）的实验。在试验中，研究小组观察了五个独立脉冲星的子集，观测它们的脉冲节奏，就像我们在GPS技术中使用原子钟一样。

▲供图：Abigail Malate；版权：美国物理联合会

在这张GIF图中，可以看到，当国际空间站靠近时，脉冲星的闪烁速度（频率）会加快；而当它飞离时，闪烁速度（频率）就会减慢。

现在设想一下，当你漂浮在太空中，那五个脉冲星在远处围绕着你。当你移动的时候，你会看到这些脉冲星发出的脉冲信号。如果有一颗脉冲星上发出的信号越来越提前到达，那么说明你正在离它越来越近。反之，如果脉冲信号来得越来越晚，那就意味着你离它越来越远了。使用这项技术，你就可以准确地得知你在银河系中的三维位置信息。

在2018年1月，SEXTANT计划的首席研究员，来自美国宇航局的基思·根德罗博士宣布并展示了这项技术的首次成功案例。

一般情况下，国际空间站通过计算相对于地球的位置来给自己定位。在该次实验中，科学家们关闭了这种定位功能。从上图中蓝色的曲线可以看到，空间站的自定位感应偏离的速度非常快，每隔几个小时误差就会持续增加。而在将脉冲星的数据加入到飞行系统中之后，空间站的定位误差就基本能保持在10公里之内，如图中绿色曲线所示，——当然这无法与GPS相比，但如果你是迷失在茫茫的星际空间之中，这样的定位精度已经很不错了。

未来会怎样？

虽然目前利用脉冲星导航的系统还不够完善，但研究人员的演示已经证明，这种导航模式是可行的。科学家们希望该技术能指引未来的宇航员飞向火星以及更遥远的深空。

美国物理联合会（AIP/American Institute of Physics）—InsideScience专栏独家供稿

作者：Abigail Malate

译者：谷大春

编辑：顾军

责任编辑：姜澎

来源：企鹅科学、中科院物理所