如何太空旅行不迷航

蜡烛2017

我是谁？我在哪？我要去哪？这样的问题在未来的星际时代并非哲学沉思，而是非常现实的问题：那就是如何定位自己在宇宙中的位置和速度，如何知道目的地的位置，并且准确规划航线。
而这些看似很科幻的问题，其实早就已经有了很多解决的技术。

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－文字稿－



当人类进入星际时代，一定会面临一个严重的问题，那就是如何在茫茫宇宙中定位、导航。

鉴于某些知名科幻作品中的导航方法过于玄学，比如《沙丘》中吃香料进化出的星际导航员，或者黄金马桶上指引人类的亚空间灯塔等等，人们需要考虑一些更加科学的手段。

方法一，使用加速度计和陀螺仪，也就是惯性导航系统。通过测量每一刻的加速度、角速度，就可以利用积分计算出飞行器的速度、位移。只要保留完整的航行记录，就可以像忒修斯的线团一样，指引飞船的方向。不过惯性导航的缺点也很明显：时间越长，误差越大，所以只适合较短的航程和辅助定位。

方法二，利用已知天体的相对位置来定位。这种古老而有效的方法（celestial navigation），在太空中会稍微麻烦一点。除了测量自己与两个天体之间的角度，还要需要知道它们的距离，这样才能把自己定位到一个圆形区域；显然，只要多获取几组这样的数据，就可以唯一确定在宇宙中的位置。

这个定位系统的关键，在于如何测量恒星距离。

早在1838年，德国天文学家弗里德里希·贝塞尔（Friedrich Bessel）就通过周年视差，测出天鹅座61距离地球大约10.4光年。但是当距离超过100个秒差距的时候，三角视差法就不好用了。这时候就需要用到分光视差法，或者主星序重叠法等等技术。

分光学因而在天体物理中极为重要，不论测定距离、还是天体的元素构成、判断恒星演化的阶段，都离不开它。

不过，可见光只是整个电磁波谱 透过地球的光学窗口后残留下的一小段。对于星际航行，还需要高能射线和射电频段的补丁。

早在1895年伦琴就在研究阴极射线时发现了X射线，1914年维拉尔又发现了γ射线。劳厄等人则证实这两种高能射线其实也是电磁波。

它们更特殊，在宇宙中，X射线源可能是黑洞或者中子星这类致密天体，γ射线长暴则可能与超新星爆发有关，总之都是需要躲开的死亡陷阱。



另外一方面，X射线、紫外线和射电频段，在气体和尘埃中，都比可见光具有更好的穿透性，因而是更好的导航信号。

1931年，贝尔实验室的卡尔·央斯基（Karl Guthe Jansky） 就在银河系中心发现了射电信号，这也开启了射电望远镜的时代。



方法三，就是通过固定的射电信号源导航。深空网络（Deep Space Network）的导航系统就是一个真实存在的范例。

通过几个巨大的射电天线向飞船和卫星发送电波，根据射电信号的多普勒效应，以及最重要的，原子钟级别的精确计时系统，再经过一系列复杂的算法对反馈信号进行处理，就可以实现对宇宙飞船或卫星的定位、测速和导航。

这其实和全球定位系统（GPS）的原理差不多。其缺陷在于，射电信号会受到大气和磁场的影响。解决的办法大概就是在深空中建立更多的中继卫星和外星信号站。

不过还有一个更加省钱、覆盖全银河系的方法，那就是利用天然存在的脉冲星。

说到脉冲星，其发现的过程又是一个天体物理学中典型的，先有理论模型然后按图索骥的例子。

在二十世纪初，原子物理突飞猛进地爆发：1896年贝克勒尔发现天然放射性和β射线，1897年汤姆森发现电子，打破原子不可分的理念，1918年卢瑟福通过α粒子轰击氮气发现质子。所有这些成就，促使爱丁顿在1920年提出太阳内部 通过氢核聚变产生光与热的猜想。1928年，伽莫夫发现的量子隧穿效应又进一步完善了这个猜想。

之后在1932年查德威克发现中子，巴德和兹威基又据此在1934年提出：恒星演化末期会发生超新星爆发，其残存的星核是一种叫做中子星的奇特星体。所以按照他的推理，超新星遗迹中应该存在中子星。然而中子星一直没有被人们观测到。



直到1967年，天文学家休伊什建造了一个巨大的长波接收天线阵，由2048个偶极天线组成的行星际闪烁阵列。他的研究生约瑟琳·贝尔从长达30米的记录纸带中，发现了一个规则的周期性射电脉冲信号，其周期只有1.337秒，脉冲持续时间16毫秒。又发现了三个类似信号后，休伊什将信号源命名为脉冲星。

1968年，戈尔德提出脉冲星就是巴德和兹威基所预言的中子星。高速旋转的中子星，使其强磁场中高速运动的质子和电子，产生同步加速辐射；又因为磁极和自转轴的不一致，就产生了转动的射电波束。如果恰巧有射电波束扫过地球，人们就探测到了脉冲信号。

这就是脉冲星的灯塔模型。

中子星和超新星遗迹的关系，也在巨蟹座星云中得到了证实。

所以方法四：就是脉冲星导航系统。以脉冲星稳定发射的周期性脉冲来计时，可以把时间误差缩小到微秒甚至纳秒级，其精度已经与铯原子钟相当。因而只要观测多个脉冲星，形成脉冲星计时阵，就是一个天然的深空网络，或者银河定位系统（GPS）。

脉冲星的发现激起了天文学界几十年如一日的热情，纷纷开展大规模巡天计划：对着天空盲搜信号，等待线索出现。

这还带来一个意外的发现：快速射电暴。这些高能的毫秒闪光，据推测，其信号源非常之巨大，可能来自于银河系外。说不定在未来的某天，它们会成为人类跨星系旅行的灯塔。

现在世界各地的射电望远镜都在寻找宇宙灯塔，想不想参与探索并更深入了解更多？这里为你提供一个硬核科学游戏——灯塔计划。

它由美国宾州州立大学物理学博士带领团队开发，并与北京大学、中国天文台、英国格拉斯哥大学深度合作，目标就是通过物理学历史接触真正的宇宙灯塔。



在游戏中，玩家还可以接触到由北京大学科维理天文中心，在新疆与云南射电望远镜观测到的快速射电暴真实数据。（当我国的FAST通过验收后，其脉冲星观测数据也会加入其中。）

玩家如果能协助辨别射电暴信号，还有机会获得北大科维理天文中心教授颁发的发现证书。

游戏采用极简低多边美术风格，以一种严谨而不失趣味的方式，让我们重温了天文和物理的联姻过程：与伦琴一起享受X射线的贯穿，与卢瑟福一起发射质子电球轰炸，与爱丁顿一起体会太阳核聚变，一路冲破关卡，探索宇宙灯塔的奥秘。


游戏下载链接：http://www.bayesiandt.com/tourl.html

参考资料：

Eddington, Arthur S., and Arthur Stanley Eddington. The internal constitution of the stars. Cambridge University Press, 1988.

Gold, Thomas. "Rotating neutron stars and the nature of pulsars." Nature 221.5175 (1969): 25.

Hewish, Antony, et al. "Observation of a rapidly pulsating radio source." Nature 217.5130 (1968): 709.

Hewish, Antony. "Pulsars and high density physics." Science 188.4193 (1975): 1079-1083.

Longair, Malcolm. "The discovery of pulsars and the aftermath." Proceedings of the American Philosophical Society 155.2 (2011): 147.

Sheikh, Suneel I., et al. "Spacecraft navigation using X-ray pulsars." Journal of Guidance, Control, and Dynamics 29.1 (2006): 49-63.

素材来源：

Jf268@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Acelerometro_1.JPG

Nockson@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ring_laser_gyroscope_at_MAKS-2011_airshow.jpg

SanjayAcharya@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Project_SPIRE_Inertial_Navigation_Control.jpg

SebMadgwickResearch@https://www.youtube.com/watch?v=6ijArKE8vKU

National Air and Space Museum, Smithsonian Institution@https://timeandnavigation.si.edu/multimedia-asset/inertial-navigation

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IndividusObservantis@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:61_Cygni_Proper_Motion.gif

https://courses.lumenlearning.com/suny-astronomy/chapter/surveying-the-stars/

D-Kuru@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Light_dispersion_of_a_mercury-vapor_lamp_with_a_flint_glass_prism_IPNr%C2%B00125.jpg

NASA, ESA and Z. Levy (STScI)@https://www.spacetelescope.org/images/heic1802f

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Sudraben@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lung_X-ray.jpg

NASA's Goddard Space Flight Center@https://svs.gsfc.nasa.gov/12265




原文地址：今日头条

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