呆阿明

外太空指南針

千百年來，中國的四大發(fā)明之一——指南針在航?；顒又邪l(fā)揮了巨大的作用。發(fā)展至今，人類也研發(fā)出了更高級的導航工具，如美國的GPS、中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)等。然而，在遲早要到來的星際旅行中，我們卻沒有強大的宇宙定位系統(tǒng)。目前，幾乎所有航天器都依靠地球的GPS導航系統(tǒng)。這就意味著，一旦航天器和地球中斷通信，那么航天器就會完全迷失在宇宙。

為了能夠給日后的星際旅行中提供導航和定位功能，美國航空航天局在2018年4月15日舉行的美國物理學會會議上，發(fā)布了銀河系定位系統(tǒng)。銀河系定位系統(tǒng)的定位和導航范圍為直徑達10萬光年的銀河系內。也就是說，它能夠為離開太陽系的宇航員們定位和導航，堪稱外太空指南針。

神奇的脈沖星

銀河系定位系統(tǒng)是如何做到在宇宙中導航和定位的呢？它主要利用脈沖星進行導航。脈沖星就是能夠發(fā)出恒定電磁光及X射線的中子星，它們從宇宙的四面八方傳來，以驚人的速度旋轉著。

脈沖星被用來作為銀河系定位系統(tǒng)的“參照物”，它有什么特別之處嗎？沒錯，脈沖星一邊旋轉，一邊向宇宙發(fā)射×射線。并且每次發(fā)射×射線的時間間隔都相等，比地球上最先進的原子鐘還精確。

在銀河系中行駛的航天器可以隨時捕捉到銀河系內脈沖星的信號。根據(jù)三角定位測量技術，就可以根據(jù)其中三顆脈沖星的信號，知道航天器在銀河系中所處的位置。想象一下，如果你的飛船現(xiàn)在就處于宇宙的某處，然后你檢測到了一段脈沖，通過測算，可以知道這段脈沖的發(fā)出時間以及接收時間，那么你就能計算出這段脈沖在宇宙中傳播了多久，然后再乘以光速，即可獲得距離。通過計算三個不同角度的脈沖，即可大致推算出航天器的三維坐標。這樣一來，脈沖星就能為執(zhí)行深空探索任務的探測器和載人飛船提供導航。

這將是人類第一次利用脈沖星進行導航。銀河系定位系統(tǒng)背后的團隊宇航局的SEXTANT（空間站×射線計時與導航技術探測者）當前的目標是將空間站的方位誤差控制在10千米之內，并且持續(xù)兩周時間。在2017年的演示中，利用脈沖星的閃光作為測量依據(jù)，空間站的方位誤差控制在7千米左右，共持續(xù)了兩天，這已經是不錯的成績了。SEXTANT計劃的下一個目標是精確到3千米范圍內，最終希望是精確到1千米之內。

銀河系定位系統(tǒng)并不新鮮

有同學可能會認為，銀河系定位系統(tǒng)是一項全新的技術。但實際上，早在上個世紀70年代，美國航空航天局就開始了相關的研究——1974年，美國航空航天局噴氣實驗室的科學家就提出了利用脈沖星進行定位的可能性1977年，美國航空航天局發(fā)射的“旅行者1號”飛船上攜帶了著名的“黃金唱片”，唱片封面上的脈沖星地圖準確定位了我們在銀河系的位置。

盡管有關利用脈沖星定位的想法早就被提出，但遲遲沒有進展，這是由于毫秒級別的脈沖難以捕捉。而且飛船也不是一直處于靜止狀態(tài)，這就需要一套計算量非常大的算法。另外，由于性能較好的X射線望遠鏡出現(xiàn)得較晚，因此之前能夠捕捉到的穩(wěn)定脈沖少之又少。直到1999年，美國航空航天局通過其最新的ARGOS傳感器發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的脈沖，相關的宇宙實驗才正式進入正軌。有了裝備的提升，銀河系定位系統(tǒng)的進展也非常迅速。

不只是導航和定位

過度依賴地球上的導航系統(tǒng)，將給載人探索任務帶來挑戰(zhàn)。地球與深空探索飛船之間的信號就像是一條細長的線，如果這條線斷了，宇航員將很難找到回家的路，這也就是銀河系定位系統(tǒng)導航與定位的意義所在。

當然，銀河系定位系統(tǒng)的意義不僅只是為宇航員導航和定位。在人類探索外太空方面，它也將發(fā)揮著極大的作用。我們都知道，在浩瀚的外太空，精確判斷飛船方位的難度極高，許多身負探索行星重任的航天器都無法在恰當?shù)臅r機點燃火箭，只能飛躍這些行星的衛(wèi)星。有時候，航天器已經飛到距遙遠衛(wèi)星很近的區(qū)域，但最終只能與之擦肩而過。借助這項技術，科學家希望執(zhí)行任務的航天器能夠在太空中“穿針引線”，順利進入一顆遙遠行星的衛(wèi)星軌道，而不是僅僅飛躍這顆衛(wèi)星。

也許在不久的將來，我們便會看到一個擁有未來派色彩的裝置，為深空探索任務提供導航，讓與地球失去聯(lián)系的宇航員也能找到回家的路，使浩瀚宇宙不再迷茫。