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

  • 直播丨“网络中国节”新春创享季启动仪式

  • 在澜沧江源,他们“镜”守山河

独家策划

推荐阅读
L5点位于地球的“后方”,位于该点的人造探测器无需消耗太多燃料就可以稳定长期驻留,因此“羲和二号”的设计寿命将长达7年。
2026-02-04 09:13
《月令七十二候集解》记载:“立,建始也”,“立”即“开始”之意。那么,立春的“立”,意味着怎样的开始?
2026-02-04 09:34
寒冬腊月,新春的氛围已在市井烟火中渐渐浓厚。进入寒假的第7天,在位于青岛的山东科技大学土木工程与建筑学院办公室里,教授李为腾和研究生杨光辉正在讨论工作。
2026-02-04 09:27
进藏工作10余年,那曲市农牧业(草业)科技研究推广中心畜牧师何世丞感慨颇深:“保护这片广袤而脆弱的草原,挑战不小,但我们一直在行动。”
2026-02-04 09:32
桥式起重机的轰响打破宁静,长十余米、重数十吨的火箭芯一级被缓缓吊离托座。操作手董磊手持控制设备,眼睛紧盯箭体,每一个动作都专注、沉稳。
2026-02-04 09:20
在人工智能(AI)和大数据时代背景下,高性能计算的战略地位已可与高能望远镜、同步辐射光源和粒子加速器等重大科研基础设施相提并论
2026-02-03 14:09
2月1日,农业农村部发布的《农产品质量安全承诺达标合格证管理办法》(以下简称《办法》)正式施行,我国农产品全面启用新版“身份证”——农产品质量安全承诺达标合格证。
2026-02-03 09:48
近日,记者从中国科学院空天信息创新研究院(以下简称空天院)获悉,该院成功开展超百G星地激光通信业务化应用实验,通信速率达到120吉比特每秒(Gbps)。”
2026-02-03 09:40
就像为一段混乱的进程找到慢放键,中国科学家在量子世界实现了一项关键控制。在量子世界中,系统在外部驱动下通常会逐步丢失初始信息,最终达到混乱的热平衡状态,该过程被称为“热化”。
2026-02-03 09:37
科技部日前发布的2024年度全国科普统计数据表明:我国科普人员队伍规模持续壮大,2024年全国科普专、兼职人员数量达221.27万,比2023年增长2.62%,其中,科普专职人员29.70万人,科普兼职人员191.57万人。
2026-02-03 09:36
2月2日是第30个“世界湿地日”。我国持续开展湿地保护修复,累计实施3800多个项目,新增和修复湿地面积100余万公顷;实施红树林保护修复和互花米草防治专项行动,累计营造红树林9200公顷,除治互花米草9.73万公顷。
2026-02-03 09:21
X光片显示的一名33岁患者的新肺(左)和旧肺。在这项研究中,Bharat表示,他的团队设计的这套人工肺系统,能够保持血液平稳且持续地流向心脏,从而降低了因血栓引发心脏病的风险。
2026-02-02 09:52
孙纯告诉《中国科学报》,时间规划的“艺术”在于,如何平衡优先和重大项目、自由观测申请项目以及可能突然出现的机遇型项目,让所有科研用户都能满意。再过十余天,孙纯的家人就会到基地与她团聚,而雷政今年终于可以回到遵义老家,与亲友相聚。
2026-02-02 09:51
通过研究月壤,我们可以进行优化模拟,从而更好服务后续探月任务。
2026-02-02 09:50
作者:王黎萤(浙江工业大学中国中小企业研究院副院长)万劲波(中国科学院科技战略咨询研究院研究员)  标准是重要基础性制度,对构建现代化产业体系、建设全国统一大市场等具有重要作用。
2026-02-02 09:37
1日,“砼真砼知”混凝土材料科学大模型在江苏南京首发。中国工程院院士、东南大学首席教授刘加平介绍:“该模型推动混凝土材料研发迈入数据驱动的‘第四范式’,为工程材料领域破解数据、算法、模型关键难题提供了标杆方案,将加速建材产业低碳转型与高质量发展。
2026-02-02 09:36
在分子世界中,有一种化学键如同生命的“缝合线”——它将氨基酸串成蛋白质,把药物分子编织成救命良方,这就是酰胺键。利用这项变革性的生物催化方法,已成功实现了多款明星药物分子的高效、绿色生物生产。
2026-02-02 09:35
为揭示东亚古人类的技术智慧与演化脉络提供了关键证据。
2026-01-30 09:37
中国气象局29日发布《2025年中国风能太阳能资源年景公报》。公报显示:2025年,全国风能资源为正常年景,全国太阳能资源总体为偏小年景。
2026-01-30 03:30
想象一下手电筒的光:柔和而四散,照亮着前方。激光,就像一束训练有素的光——所有光粒子步调一致,朝着同一个方向前进,能量高度集中。这种特性让激光能完成普通光做不到的“精细活”,从超市扫码器到医院手术刀,从光纤通信到舞台灯光秀,背后都有它的身影。
2026-01-30 03:30
加载更多