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流浪地球时代和未来星际航行,我们靠什么导航?

来源:光明网2019-02-22 18:50

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  中国首部科幻大片《流浪地球》在众人的期盼之中上映了。因为它的精美制作,远远超出了大家对于中国科幻电影的预期,而成为新年期间最受欢迎的一部电影。不同于通常的新年大片,这是一部包含着众多烧脑名词的科幻大片,所以引发了社会的众多讨论。

流浪地球时代和未来星际航行,我们靠什么导航?

  这部电影是根据刘慈欣的同名小说所改编,讲述了在地球面临被太阳吞没之时,地球上的联合政府作出一个决定,将地球推离现有轨道,与此同时,发射一个联合政府的空间站为地球导航,距离地球大约10万公里。空间站在一定程度上就是流浪地球的开路先锋,为地球的运动指明方向以及告诉地面在太空当中,远离地球原来轨道的时候所处位置信息。那么一个非常让人好奇的问题就是,作为领航的太空站是如何导航的。今天就让我们由近及远地介绍一下在未来进行星际旅行可能用到的导航系统。

  首先让我们来简单回顾一下我们在日常生活如何导航。一提到导航,我们很自然的就会想到各种导航软件,其实它们都是都是利用导航卫星来确定方位的。它的简单工作原理如下:在地面之上大约2万公里的地方,有几十个处于不同轨道的导航卫星,每时每刻,这些卫星都会发送其特有的位置和时间信号,我们手机中的导航卫星信号接收器如果能够同时接收到4个不同导航卫星的信号的话,根据接收到的信号时间差别,之后通过求解方程就可以算出目前接收器所在的空间位置信息。

  现在最为常用的当属美国的全球定位系统,它包含了31个可供使用的卫星,轨道半径大约为26600公里。我们可以看到,所以只要是轨道低于卫星轨道的话,都可以通过接收导航卫星的信号来导航。所以对于目前在地球上空运行的国际空间站,飞行于地面之上大约500公里的地方,所以它的导航也是可以使用导航卫星。而后来,为了突破美国的限制,其它好多国家都发射了自己的导航卫星,欧洲有伽利略导航系统,中国有自己的北斗导航系统。

  然而,如果人类以后有机会跨入深空的话,我们就需要找到全新的导航系统。通过上面导航原理,我们可以看到空间导航的核心是:在每一时刻,我们需要知道至少四个能够让我们知道位置的参考源。所以根据天文学家的众多观测,选用不同的稳定天体源,而提出了几种不同的导航系统。

流浪地球时代和未来星际航行,我们靠什么导航?

  一种就是最近几年谈的比较多的脉冲星导航。脉冲星就是我们极为熟悉的中子星,因为磁极方向能够产生射电或者X射线辐射,当转动轴和磁极不重合,而转动轴扫过地球的时候,就会产生我们所看到的脉冲,因此被称之为脉冲星。而对于某一些脉冲星转动速度特别快,转动周期可以达到毫秒量级,所以也被称之为毫秒脉冲星。这些脉冲星的转动稳定性非常好,可以比拟于地球上最好的原子钟,所以也时常被称为宇宙间的原子钟。

  到目前为止我们已经找到了二百个类似的脉冲星,分布在银河系内距离地球几百光年到几千光年的各个范围内。如果我们可以接收到它们的信号,并且已知它们位置的话,我们应该可以利用上面导航卫星的方式利用这些脉冲星进行我们的星际航行。

  而就在最近,美国NASA的一些工程师就利用国际空间站上的一个名叫NICER的天文设备对此想法进行了验证。NICER的英文全称是Neutron-star Interior Composition Explorer,中文意思是中子星内部组成探测器,这是安装在空间站上随空间站一起运动的探测设备,它的探测波段为X射线。这些来自于NASA的工程师就利用这个设备在2017年老兵节的时候对四个已知不同方位上的毫秒脉冲星进行了监测,通过上面类似的方式来计算空间站的位置,结果发现,相比较导航卫星的厘米误差,这次实验所得到的误差达到了将近16公里。尽管如此,这次实验验证了脉冲星导航的可行性。精度的提高还希望通过脉冲星观测精度和算法软件的多方面提高。

流浪地球时代和未来星际航行,我们靠什么导航?

  我们还有一种很好的方法,就是利用恒星导航。在2013发射的欧洲盖亚卫星(GAIA)就计划对银河系内的10颗恒星的位置、恒星特征、距离以及运动速度进行精确测量。目前已经得到了第一批的结果,等到最终它的目标实现之后,我们也就有了一个很好的银河系内的星图,所以也可以利用它们进行导航。

  或许对于接下来的银河系内的旅行,脉冲星和恒星导航已经是绰绰有余,然而天文学家们其实想的更远,如果我们有机会迈出银河系,进入更远宇宙的时候我们应该怎么办呢?而且银河系内的脉冲星也还有一定的问题,因为它们也是处于运动当中,位置并非不变,所以如果星际旅行的时间很长的话,我们是否有更好的位置参考系统了。

  所以有些天文学家就提出,我们或许可以以那些遥远的某些星系作为参考,这些被选出来的天体就是天文学中常说的活动星系核。这些天体是星系中心的超大质量黑洞所产生的喷流,因为辐射非常明亮,往往比星系本身的辐射还要强很多。因为中心体积非常小,所以从遥远的地方去看,就像一个小点很难分辨,以至于在这类天体发现的最早期,最明亮的那一类被称之为叫做类星体。尽管这类星系也在空间运动,然而因为这些天体至少距离我们几十亿光年之外,所以几乎看起来不动的,相比较上面提到的脉冲星位置上要稳定很多。

  法国的天文学家Charlot和他的团队在90年代末的时候选取了一些最致密和最稳定的活动星系核,建立了一个被称之为国际天球参照系统(International Celestial Reference Frame),经过差不多20年的发展和不断更新,这个系统当中从最早的包含了212个源,到现在遍布整个天空的300多个。所以这个系统或许也能够成为我们以后进行宇宙旅行所使用的导航系统。

  刘慈欣在克拉克想象力社会贡献奖颁发的时候说过,我本来想要的是星辰大海,你却给我的是facebook。无论是地球附近的太空旅行,还是我们所期望的星际旅行,都需要我们全球人类的共同努力和推动,只有这样,当人类在面临流浪地球危险的时候,我们才真正的能够坦然相对。流浪地球的热潮即将过去,期望更多的中国人能够在这部电影的引领之下,能够多一些仰望星空的情怀,关注一些我们的未来。千里之行始于足下,也更希望对我们国家的科学发展关注,这才是整个国家发展和腾飞的真正动力。

  作者:苟利军,系中国科学院国家天文台研究员,恒星级黑洞及其爆发研究团组首席科学家。

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