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

  • 宁波舟山港成为全球首个年货物吞吐量超14亿吨大港

  • 古长城“邂逅”冰雪热

独家策划

推荐阅读
8日,中国载人航天工程办公室发布2025年度《中国空间站科学研究与应用进展报告》。
2026-01-09 02:45
日前,生态环境部与国家统计局联合印发《关于发布2023年电力二氧化碳排放因子的公告》,以便于不同主体核算电力消费的二氧化碳排放量。
2026-01-09 02:45
近日,中国农业科学院农产品加工研究所联合国内外科研团队,系统揭示了小麦基因型、灌溉条件、储存方式及制粉工艺影响面团流变特性及产品质量的微观和介观机制。
2026-01-09 02:45
各地要强化标准牵引,结合相关部门人工智能终端智能化分级标准制定和产品智能化等级认定等情况,合理确定补贴品类。
2026-01-09 09:05
从中国机械工业联合会获悉,“十四五”时期是我国环保装备制造行业技术创新爆发期,产业链自主可控率超90%,核心专利数量全球第一,技术装备水平跃升,国际竞争力显著提升,国际市场占有率达23.1%。
2026-01-09 02:55
CES历来是观察前沿技术走向的重要窗口。今年,一个新词被频频提及——“物理人工智能(物理AI,Physical AI)”。
2026-01-08 18:29
从7日在京召开的全国知识产权局局长会议上了解到,根据世界知识产权组织最新发布的《2025年全球创新指数报告》,我国“综合排名进前十、单项排名‘双第一’”。
2026-01-08 02:20
近日,中央农村工作会议在北京召开。会议强调,“加强农业关键核心技术攻关和科技成果高效转化应用,因地制宜发展农业新质生产力”,为做好“三农”工作提供了重要指引。
2026-01-08 02:20
时序轮转一甲子,肇始于一间实验室的中国科技考古,历经六十载深耕求索,终从一片学术荒原,昂首跻身世界学科前沿之列。六十年来,中国科技考古依靠工作者们的汗水、智慧与坚守,写成一段传奇。
2026-01-08 02:20
冰冷坚硬的金属骨架、精确运转的齿轮电机……这,是不是你脑中的“机器人”?其实,还有一种机器人:它们没有坚硬的躯壳,而是以柔软的身体探索世界,它们并不强壮,却不会轻易损坏——这,就是软体机器人。它们像章鱼、蚯蚓、水母等自然界生物一样灵动,能够弯曲、伸展、钻入狭缝,展现出前所未有的环境适应力。
2026-01-08 02:25
近日,工业和信息化部正式公布我国首批L3级有条件自动驾驶车型准入许可,两款分别适配城市拥堵、高速路段的车型将在北京、重庆指定区域开展上路试点。
2026-01-08 02:25
“激光不是自然光,它是人类创造的‘最准的尺’‘最利的刀’,更是能为人类需求精准调光的‘魔法师’。”1月6日,科学家精神百场讲坛在扬州大学开讲,中国科学院院士、天津大学教授姚建铨向现场听众分享了自己60年的科研历程与心得。
2026-01-07 02:30
以前医生判断大脑是否健康,需要进行磁共振检查,这个检查结果用的是西方人群的参考标准。
2026-01-07 02:30
从中国科学院大连化学物理研究所获悉,“面向空间应用的锂离子电池电化学光学原位研究”项目已在中国空间站内开展。神舟二十一号航天员乘组共同在轨操作该项目实验,其中,中国科学院大连化学物理研究所研究员张洪章作为载荷专家发挥了其专业优势。
2026-01-08 02:20
硫化氢气味如臭鸡蛋,在天然气开采、炼油、煤化工中大量产生。它不仅有毒,更是形成酸雨的“元凶”之一。据统计,我国每年待处理的硫化氢约80亿立方米,全球规模更是巨大。如何安全、彻底地处理它,一直是工业界面临的巨大挑战。
2026-01-07 02:30
从生态环境部获悉,日前,南京环境科学研究所秦卫华、李中林、王涛研究团队在《布拉格国家昆虫博物馆馆报》上发表研究成果——西藏吉隆发现猎蝽科猛猎蝽属新物种吉隆猛猎蝽,我国青藏高原生物多样性数据库再添新成员。
2026-01-07 02:30
“人类工程与大自然的完美融合!”不久前,贵州花江峡谷大桥刚刚建成通车便火遍全网,各地游客纷至沓来,只为感受新晋世界第一高桥的壮观雄伟。
2026-01-07 02:30
“一张网”的构建是我国测绘地理信息事业转型升级的生动实践。
2026-01-06 09:53
具身智能作为人工智能与机器人科学交叉的前沿领域,是新一轮产业变革的技术引擎。
2026-01-06 02:45
我国首次航天员洞穴训练日前在重庆市武隆区圆满结束,28名航天员参加了这次训练。
2026-01-06 02:45
加载更多