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

  • 内蒙古阿尔山:避暑胜地引游人

  • 盛夏里的向日葵

独家策划

推荐阅读
2025全球数字经济大会2日在北京开幕。除收录标准的优势外,东壁全球科技文献数据平台还根据中国科技界与教育界的习惯,对所收录期刊进行了学科分类。
2025-07-04 09:55
超材料是一类具有特殊性质的人造材料,而具有热辐射性能的超材料可以把多余的热量“打包”传递到外界,热辐射超材料可广泛应用于零能耗辐射冷却、建筑节能降温、航天热控等诸多重要领域。
2025-07-04 09:53
中国科学院院士、海南大学生物医学工程学院教授骆清铭团队成功绘制出了小鼠三维脑区和立体定位图谱
2025-07-04 09:52
7月4日,神秘的水星将迎来东大距,这是今年第二次水星东大距,观测条件依然不错。
2025-07-04 09:51
科学是生产力的核心要素。
2025-07-04 09:50
钙钛矿太阳能电池因成本低、效率高、易加工等优势备受关注,可应用于光伏发电、车载光伏、光伏建筑等领域。
2025-07-03 09:59
目前,对于10厘米以上大型空间碎片,航天器通常采用主动规避的策略,通过轨道调整,避开可能的碰撞路径。
2025-07-03 09:58
6月26日,中国民航局官网发布公告,提到为切实保障航空运行安全,自2025年6月28日起,禁止旅客携带没有3C标识、3C标识不清晰、被召回型号或批次的充电宝乘坐境内航班。
2025-07-03 09:56
药膳制作师既要懂烹饪,是餐厅的大厨,又要懂中医药理论知识,特别是能够作为食药物质的中药材。
2025-07-03 09:55
运动有助于健康和抗衰老。但究竟是什么让运动有这种奇效呢?我国研究团队历时6年,首次系统解析了人体对急性单次运动与长期规律运动的分子-细胞动态响应谱,揭示肾脏是运动效应的关键应答器官——其内源代谢物甜菜碱作为衰老延缓的核心分子信使,通过靶向抑制天然免疫枢纽激酶TBK1,协同阻遏炎症并缓解多器官衰老进程。
2025-07-03 05:20
近日,四川乐山一小伙感觉身体不适独自乘出租车前往医院就诊,途中开启“超强自救”模式:联系妈妈告知情况、打110报警求助、打120告知医院准备急救。如果长期处于焦虑引起的躯体化障碍状态,患者会反复出现头痛、心慌、呼吸急促、胃肠紊乱、肢体疼痛、睡眠问题等。
2025-07-02 10:06
使用人工智能大模型时,不少人或许都遇到过类似问题:它们有时会捏造细节,甚至“一本正经地胡说八道”。当“喂给”大模型的训练数据包含虚假信息时,它就会产生“幻觉”、给出错误答案。
2025-07-02 10:05
中国国际航空公司所属的国产C909客机平稳降落在蒙古国乌兰巴托成吉思汗国际机场,标志着国航首条C909国际航线正式开通。早8时许,这架C909客机从呼和浩特起飞,经过1个多小时飞行抵达乌兰巴托。
2025-07-02 10:03
农业是国民经济的基础,农业领域形成新质生产力是国民经济形成和发展新质生产力的基础和“底盘”。 农业新质生产力是通过提升劳动者素质、优化劳动资料和创新利用劳动对象,实现全要素生产率的显著提高。
2025-07-02 10:01
团队基于卫星遥感数据构建了1988年至2021年青藏高原30米分辨率人工草地数据集,明确了青藏高原主要的人工草地类型及其时空分布特征,并揭示了青藏高原人工草地的迅速扩张及其驱动机制。
2025-07-02 09:59
屠光绍认为,金融机构在应用人工智能时必须在服务投资人与消费者之间寻求平衡,避免AI鸿沟,坚守金融服务大众的初心。鲍建敏倡导构建产学研深度融合、开放共赢的人工智能金融生态体系,搭建跨机构、跨领域的协同创新平台。
2025-07-01 10:13
6月30日,2025温布尔登网球锦标赛在英国伦敦拉开大幕,引发球迷关注。在草地球场,球的速度更快且弹跳不规则,比赛回合较短,发球就成为球员们的重要“武器”。红土球场并不是天然土壤,而是分层分布着碎砖粉、白色碎石灰石、碎石等。
2025-07-01 10:09
7月1日起,医保定点医药机构在销售药品时,必须按要求扫药品追溯码后方可进行医保基金结算;2026年1月1日起,所有医药机构都要实现药品追溯码全量采集上传。步,进入国家医保局微信公众号主页,点击服务、药品追溯信息查询,进入查询页面;或进入国家医保局微信公众号消息对话页,点击医保服务、药品追溯信息查询,进入查询页面。
2025-07-01 10:09
记者从国家航天局获悉,7月1日,该局发布行星探测工程天问二号探测器在轨获取的地月影像图。(国家航天局供图)  月球全色图,由天问二号探测器的窄视场导航敏感器于2025年5月30日15时拍摄,经辐射校正处理后制作而成。
2025-07-01 10:08
龙芯中科近日正式发布基于国产自主指令集龙架构研发的服务器处理器龙芯3C6000系列芯片、工控领域及移动终端处理器龙芯2K3000/3B6000M芯片以及相关整机和解决方案。
2025-07-01 10:06
加载更多