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

  • 无人机灯光秀闪耀重庆夜空

  • 江苏南京:逛灯市 寻年味

独家策划

推荐阅读
莱州中华武校第十次登上央视春晚舞台
2026-02-17 10:21
近日,一个名为Moltbook的社交平台突然走红。与普通网络平台不同的是,Moltbook上的用户都是AI智能体。
2026-02-14 09:21
全球规模最大的200万吨/年柴油吸附分离装置目前在中国石油广西石化稳定运行。
2026-02-14 09:16
大连理工大学赵珺教授带领师生团队正抓紧时间,为实现可重复使用运载火箭关键部件的“复用检测”技术突破全力冲刺。
2026-02-14 09:12
一场刷新人类对宇宙极端物理过程认知的高能事件,被中国科学卫星清晰捕获并成功解读。
2026-02-14 09:11
近日,中国计量科学研究院研制的锶原子光晶格钟NIM-Sr1正式获准校准国际标准时间,实现了我国光钟参与校准国际标准时间“零”的突破。
2026-02-14 09:10
装上智能仿生手,截肢患者可以轻松拿起水杯喝水;高位截瘫患者用意念移动电脑光标,操控轮椅,指挥机器狗取外卖……
2026-02-13 09:50
凌晨2时,南昌西动车组运用一所检修库内灯光如昼。“接触网已断电,安全措施准备完毕,申请登顶!”确认许可后,国铁南昌局电务段南昌西车载设备车间工长曹准与工友一前一后登上动车组车顶,对北斗天线进行全面“体检”。
2026-02-13 09:45
近日,广西涠洲岛海域发生渔船撞击布氏鲸事件,鲸鱼受伤的画面令人揪心。虽然撞鲸的并非观鲸船,但这起事件也给正处于旺季的观鲸游敲响警钟——负责任地观鲸,有边界地亲近,人与自然和谐共生图景才能真正长久。
2026-02-13 09:43
核光钟通过真空紫外激光诱导原子核跃迁,具备更高精度与强抗干扰能力,且可实现便携化应用。但研制核光钟的道路上的一个核心瓶颈,是无法研制出能激发核跃迁的连续波激光光源。
2026-02-13 09:42
2021年,王勤团队开始研发低成本、适用于牧场环境的马匹体形自动测定设备。王勤团队搜集了全球90个马群体、近40个品种的基因组信息,构建了包含2000多个个体的参考面板——这是目前全球规模最大的马基因组参考数据库。
2026-02-13 09:36
一纸锦旗山水间,杏林春暖绿意长。
2026-02-12 11:01
金星与地球大小相近,同样诞生于太阳系内侧,却有着截然不同的命运。
2026-02-12 09:41
科技部十司相关负责同志解读《调查处理规定》。
2026-02-12 09:38
《细胞》封面:猕猴屏状核细胞分类与全脑联接图谱。在当前脑图谱大科学计划研究目标迈进绘制非人灵长类介观脑图谱的关键阶段,中国科学家仍在进一步集聚全球力量,持续扩大“朋友圈”。
2026-02-12 09:25
据悉,在战略上,植物星球计划还将整体提升全球生物多样性保护和实现碳中和的生态能力,构建植物科学领域全球大科学命题国际合作的新格局。
2026-02-12 09:17
马年将至,作为一种兼具力量与速度的动物,马正受到格外的关注。
2026-02-12 09:12
工业和信息化部等五部门近日印发《关于加强信息通信业能力建设支撑低空基础设施发展的实施意见》。加强监管能力体系建设,规划无人机专用号段,推动“一机一码一号”能力建设,探索标识解析在无人机领域的应用,形成无人机通信资源精细化管理。
2026-02-11 09:25
全球森林逐渐被快生树木主导,而稳定生态系统的慢生树种正在消失。“我们关注的是极为独特的物种,它们主要集中在生物多样性丰富、生态系统联系紧密的热带和亚热带地区。“此外,在现在和未来受到干扰的地区,非本地物种可能会加剧对光、水和养分的竞争,从而使本地树木更难生存。
2026-02-11 09:32
中国科学院动物研究所研究员王红梅带领的“灵长类胚胎发育的规律解析与体外模拟团队”,用27年的接力攻坚,把灵长类早期胚胎发育这个看不见、摸不着的“黑匣子”,变成了清晰可见的“生命剧本”。
2026-02-11 09:32
加载更多