点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:未来可期的脉冲星计时与导航
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

未来可期的脉冲星计时与导航

来源:光明网2020-12-02 14:06

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  脉冲星是1967被发现的一种天体,这一发现被授予了诺贝尔物理学奖。在它被发现后的五十多年里,人们又找到了大约3000颗这种令人着迷的天体。它们拥有极端的物理特性,具有极高的天文学研究价值,且与不同学科会在许多前沿领域有所交叉,再加之关于它的各种谜团所带来的魅力,这使得尽管已经过去了半个多世纪,脉冲星仍是天文学的重点研究对象之一。

未来可期的脉冲星计时与导航

图1. 辐射由两极发出的脉冲星概念图(图源:NASA/JPL-Caltech)

  脉冲星因其周期性的脉冲辐射而得名,这种周期性来源于脉冲星本身的周期性转动。每转动一周,望远镜就能够接收到一次脉冲信号。目前已发现的脉冲星中,转动周期最短的约为1.4毫秒,最长的也不过20多秒。

  脉冲星,每时每刻都在释放着巨大的能量。曾有人幻想,将来可以利用它的辐射来解决人类的能源问题。但是,它们距离地球实在是太遥远了,可望而不可及。目前,我们只能在艺术作品中发挥想象,借助它的能量为漫威电影中的雷神托尔打造一柄暴风战斧。

未来可期的脉冲星计时与导航

图2. 帕罗玛山天文台(Palomar Observatory)海尔(Hale)望远镜拍摄的巨蟹座脉冲星,它无时无刻不在释放巨大的能量,照亮它周边的星云(图源:NASA/JPL-Caltech)

  不过我们目前对脉冲星的研究,也并不完全是画饼充饥!即使是这样遥远的距离,也不妨碍我们利用脉冲星的特性为生活谋取一些便利。

  脉冲星无时无刻不在快速转动着,大家经常把它比作陀螺。然而区别在于,在地面转动的陀螺会越转越慢直至停止,而在天空之上转动的脉冲星却永不停歇。虽然,脉冲星的转动也会越来越慢,但是它们变慢的速度非常之小,每隔一年它们的转动速度只降低大约亿分之一,变化最小的甚至可以达到每年只降低万亿分之一。

  最妙的是,脉冲星转速的变化本身,也是非常稳定的!这使得我们可以预测脉冲星未来的转动速度。目前,周期测量最精确的脉冲星是毫秒脉冲星J0437-4715,其周期精度可达17阿秒(1阿秒等于十的负十八次方秒)。在精确预测了脉冲星周期后,我们可以预估每一个脉冲到达地球的精确时间。继而,科学家们马上想到,我们完全可以把脉冲星的这一效应应用在时间计量与导航系统中。

未来可期的脉冲星计时与导航

图3. 通用原子能电磁系统公司(General Atomics Electromagnetic Systems)轨道试验床卫星(Orbital Test Bed spacecraft)中的深空原子钟(图源:NASA)

  过去,日常计时用的机械手表和石英钟,在一段时间之后就会变慢或是变快,总是不能精确地计量时间,这很令人苦恼。现在,我们可以凭借网络信号实时地确定时间,实际上这一时间是由国际权度局分析处理来源于全世界约50个时间实验室的200多台原子钟数据而得到的。

  在现行国际单位制下,1967年召开的第13届国际度量衡大会给出了秒的定义,也就是铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁时所辐射电磁波周期的9192631770倍的时间。这一定义实际上是基于原子超精细结构跃迁电磁波具有固定周期的特性。利用这一特性,可以制作原子钟用来精确计时,也可以对任意两个事件发生的时间间隔进行高精度测量。但遗憾的是,原子钟的计时精度并不会一成不变,它会随着环境温度变化,而且微波谐振腔老化也会影响计时精度,所以我们需要更加稳定的时钟。

  脉冲星是处于真空中的天然计时器,它在宇宙中孤独地转动,不会受环境影响,也不会因老化而颤抖,因此它比地球上的任何钟表都要更加稳定。将每一次接收到的脉冲信号做为时间刻度,可以代替原子钟用来计量时间。或许在不久的将来,人们能看到“脉冲星钟”代替原子钟,来作为时间计量的标准工具。

  目前,市面上销售的部分手机安装了北斗卫星导航系统,它可以用来确定我们的位置。实际上,这是天上的北斗卫星在不停地测量手机到卫星的距离,然后结合多颗卫星的距离就能够算出手机所在的位置。但令人遗憾的是,这个办法对于距离地球较远的位置就难以奏效了。

  这可不太妙!假如我们要发射一艘火星飞船,那我们要怎么才能确定飞船的位置呢?难不成还得先发射一些火星定位卫星才行?实际上并不需要这么麻烦。使用同样的原理,我们可以用天空中不同位置的脉冲星进行定位导航。

未来可期的脉冲星计时与导航

图4. 在地球上可以接收到不同位置的脉冲星信号,这些脉冲星信号的到达时间可以帮助我们确定时间以及进行脉冲星导航(图源:David Champion)

  脉冲信号到达地球的时间和接收信号的位置有关。同一个脉冲信号,距离脉冲星越近的位置就能越早地接收到;反过来讲,如果能够给定脉冲信号的到达时间,就能确定出接收信号的位置到脉冲星的距离。这样我们在银河系里的任何位置都能够轻松地完成定位,这就是梦幻一般的脉冲星导航系统啦!

  不过也要说明的是,脉冲星的信号比北斗卫星的信号要弱得多,导致这样的定位过程需要望远镜收集信号才能运行,而且定位精度在地球附近要远低于北斗卫星导航系统,所以目前脉冲星导航研究针对的服务对象只是执行航天任务的飞行器。

  想了解更多,请阅读苟利军研究员文章《星际旅行靠什么导航》

  http://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2019-02/21/nw.D110000gmrb_20190221_3-16.htm

  作者简介:卢吉光,毕业于北京大学天文学系,现工作于中科院国家天文台FAST团队,从事脉冲星辐射过程研究。

[ 责编:赵宇豪 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 山东威海:联合执法维护口岸安全

  • 秦岭天竺山生态美景引客来

独家策划

推荐阅读
与依赖相对固定会话管理结构的传统5G核心网络不同,新技术引入AI驱动的预测与控制能力,可根据不同业务需求实时优化会话管理、数据传输路径和服务质量,实现网络资源的动态调度。未来,团队还计划开发支持低轨卫星通信的核心网与传输网融合技术,构建融合业务、计算和网络的新一代6G核心架构。
2026-06-17 09:32
荷兰阿姆斯特丹大学医疗中心研究人员宣布,他们开展的全球首例针对遗传性疾病的体内CRISPR疗法三期临床试验取得成功。这把“剪刀”,为许多遗传性疾病患者剪开了新天地,预示着遗传病治疗或将从“延缓病情”迈向“治愈疾病”的新时代。
2026-06-17 09:28
交通运输是维系国民经济运行的重要基础,在碳排放总量中,交通运输领域占比高、减排难度大。针对水路运输降碳难题,我国正聚焦核心技术攻坚、示范船舶落地、配套体系完善,多措并举突破行业绿色转型壁垒。
2026-06-17 09:23
未来产业培育周期长、市场风险大,单一政策工具难以奏效,必须构建覆盖全生命周期、多元主体协同发力的政策矩阵。未来产业发展涉及面广、风险点多、迭代速度快,必须突破条块分割,构建集中统一、协同高效、安全可控的现代化治理体系。
2026-06-17 09:18
深海水虱是一种生活在深海的巨型甲壳动物,在缺乏稳定食物供给的情况下可存活五年之久。深海环境黑暗、寒冷、食物极度匮乏,如何克服寡营养环境对生存的威胁是深海生物面临的最大挑战。
2026-06-17 09:15
韩国首尔国立大学工程学院科学家研制出一款高性能有机发光二极管,集成了高导电性透明金属电极,透光率超过93%,有望在先进显示器等众多领域大显身手。所得器件兼具优异的透明度与电致发光性能,底层的有机层也安然无恙,充分彰显出该技术在下一代透明显示应用中的巨大潜力。
2026-06-16 09:27
《自然·医学》杂志15日报道了一种皮质内脑机接口(BCI)突破。该参与者累计使用该系统超过3800小时,共发出183060个句子(近200万词),平均每分钟56词,其中92%的句子被评定为“基本正确”或更佳。
2026-06-16 09:26
未来产业是科技创新和产业创新深度融合的产物,是技术突破催生的全新赛道,对于发展新质生产力具有先导性、引领性作用。未来产业的根基在于创新,没有源头创新,就没有未来产业的萌芽;没有持续创新,就没有未来产业的壮大。统筹科技自立自强与全球创新合作是夯实未来产业发展根基的关键。
2026-06-16 09:25
随着高密度发射成为常态,力箭一号火箭控制系统逐步实现软、硬件产品全链路自主可控。“目前,箭上配套设备缩减50%,地面设备削减80%,火箭电测周期由原来的1个月压缩到1周以内。
2026-06-16 09:23
作者:尚俊杰、王淑文(分别系北京大学教育学院副院长兼学习科学实验室执行主任、中国高等教育学会学习科学研究分会常务副理事长兼秘书长;将学习科学的研究成果深度融入AI教育系统的设计、开发与应用全过程,是提升教育质量、避免技术滥用的关键。
2026-06-16 09:22
数据显示,今年4月,中国汽车出口继续保持快速增长,同比增长超过70%,其中,新能源汽车表现最为亮眼,当月出口43万辆,环比增长16%,同比增长约110%。在海外社交媒体上爆火的“中国汽车”标签,以一种独特的方式为中国的全球气候治理贡献写下新注脚。
2026-06-16 09:17
随着人工智能技术的不断突破和应用场景的加速拓展,AI相关领域人才需求攀升将成为未来较长一段时间内劳动力需求的重要趋势特征。企业作为劳动力市场的需求主体,也应主动应对AI技术变革,推动内部数字化转型,提升生产效率。
2026-06-15 09:17
智能经济带来的技术提升,不是对传统产业的简单替代,而是通过“人工智能+”行动实现全方位赋能。面对全球人工智能治理规则正在形成的窗口期,我国既要在技术上对标一流,更应在治理上贡献智慧,助力全球AI治理变革。
2026-06-15 09:16
过了芒种,在河南省获嘉县照镜镇樊庄村,村民宋其文家里的麦田已开镰,但他不慌不忙,心里稳得很。宋其文感受到的智慧灌溉来源于水肥一体机搭载的作物高效用水智能决策系统,在那里,天空地数据持续搜集,不断优化生成实时灌溉决策方案。
2026-06-15 09:16
在率先落地的机器人、数字人营业性演出场景中,符合条件的经营主体可将机器人、数字人作为演职人员纳入管理范畴。”  北京经开区有关负责人表示,下一步将持续优化试点流程、稳步扩大试点范围,做到放而不乱、管而有序、服务到位,全力扶持新业态、培育新主体、壮大新产业。
2026-06-15 09:15
6月14日,国家防总办公室、应急管理部组织自然资源部、住房城乡建设部、交通运输部、水利部、中国气象局等多部门联合会商,研判近期降雨发展趋势,研究部署重点地区防汛工作。
2026-06-15 09:13
在“环保智慧大脑”的加持下,河南省重点环境问题平均存续时间从17.4小时压缩至1.09小时,生态环境监管能力显著提升。近年来,河南省生态环境厅坚持科技创新驱动、智慧化引领,生态环境监管进入全流程智能化监测、执法、应急处置的数智化时代,环境治理格局正在重塑。
2026-06-15 09:13
据英国《自然》网站9日报道,美国生命生物科学公司当天宣布,首次通过细胞“部分重编程”疗法,尝试让一名青光眼患者眼部受损的衰老细胞“返老还童”。
2026-06-12 09:32
一项发表于《科学》杂志的最新研究,绘制了首张全球菌根真菌“地下网络”分布图。这是继去年《自然》杂志发表菌根真菌多样性全球分析之后,科学家首次实现对其物理密度的全球可视化。
2026-06-12 09:29
斯坦福大学数学家贾里德·杜克尔·利希特曼在社交平台X上将这种现象类比为国际象棋中的“非常规开局”,认为AI有时能跳出人类长期形成的“审美与惯例”。
2026-06-12 09:28
加载更多