美尝试把脉冲星变为“GPS” 实验表明宇宙飞船可利用脉冲星信号在深空中航行

快速旋转的脉冲星发出强大的辐射光束。图片来源：Dana Berry/NASA

从国际空间站的高度来看，美国宇航局（NASA）的一项实验展示了未来的空间探测任务如何在深空中导航。宇宙飞船可以通过一种位于天上的“全球定位系统”（GPS）来确定自己的位置，即由遥远的死亡恒星发射出的信号。

去年11月，中子星内部构成探测器（NICER）花了一天半的时间观察了少量脉冲星。后者是一种快速旋转的恒星残骸，它们在旋转时能够释放出强大的辐射束。通过测量脉冲到达时间的微小变化，NICER可以实现精度达5公里之内的定位。

这是科学家第一次在太空中证明了这项被称为“脉冲星导航”的长期探寻的技术。有朝一日，这种方法可以帮助航天器在没有地球常规指令的情况下自动驾驶。

“我们认为这是一件大事。”Keith Gendreau说，他是马里兰州绿带市NASA戈达德太空飞行中心的天体物理学家，也是该任务的项目负责人。“这是将我们的天体物理学应用到包括太阳系外层空间乃至太阳系外的探索目标的一个很好的方法。”

Gendreau在1月11日于马里兰州国家港湾召开的美国天文学会的一次会议上报告了这一研究成果。

据新华社报道，戈达德太空飞行中心最新发布的新闻公报说，该中心利用搭载在国际空间站的NICER，对新型导航系统进行初步测试，实现了精度5公里之内的定位。

在卫星定位系统中，在环地轨道上运转的卫星不断向地面发出信号，地面接收装置根据信号确定自己与各卫星的距离，计算出自己的具体位置。只需要来自4颗卫星的信号，就能达到很高的定位精度。

脉冲星是快速旋转的中子星。它们是巨大恒星爆发死亡留下的残骸，是宇宙中密度最高的天体之一。强磁场使中子星的两极喷出带电粒子流，随着中子星的旋转，粒子流像灯塔的光柱一样扫过太空，在观测者看来就像周期性出现的脉冲信号。

有些脉冲星的周期为毫秒级别，并且极其稳定、误差很小，堪称精确的宇宙时钟。戈达德太空飞行中心专家说，这些脉冲星发出的X射线可以用于定位和导航。

在2017年11月进行的实验中，研究人员选取了4颗毫秒脉冲星，让NICER接收其信号，据此计算自身的位置。为期两天的实验表明，该导航系统可以全自动运作，精度达到了16公里以内的预定目标，最高精度达5公里左右。

研究小组将进一步改良该系统，计划于2018年晚些时候再次进行实验。最终目标是开发出高精度的全自动太空导航设备，使航天器能在长时间不与地球通信的情况下保持准确定位，用于未来的木星、土星乃至太阳系外探索。

Gendreau指出，NASA的“旅行者”号探测器上携带着一幅地图，它指出了太阳系相对于14个脉冲星的位置。如果一个外星文明找到了这张地图，它就可以利用它来确定地球的位置。

Gendreau说：“当我还是一个孩子的时候，我听到卡尔·萨根谈论过此事。而现在我们正在做这件事。”