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大航海时代，船员依靠天空中的星星来辨别方向，这就是人类最早期的导航。与此类似，近期NASA的科学家们成功完成了脉冲星导航的实验验证，也就意味着，在未来人类的星际旅行中，脉冲星可以作为我们的指明灯来进行导航。 图片来源：NASA 脉冲星示意图 那么什么是脉冲星？ 有些大质量恒星在进入生命末期时会坍缩成中子星，其中能高速旋转并发射电磁辐射的也被称作脉冲星。脉冲星的命名来源于它们有周期性的脉冲信号，脉冲星高速自转，并会在特定的方向上辐射信号。当它们辐射信号扫过地球时，就能看到它们有规律的闪烁。脉冲星最大特点是周期稳定，这也是它能作为计时器的原因，它的精度甚至要超过原子钟。 图片来源：NASA 脉冲星像灯塔一样发射信号 当把目光投向太空，可以通过脉冲信号的频率和波长来识别脉冲星。这些参数足以帮助我们实现定位。NASA的科学家就是以此获得灵感，提出了可以借用脉冲星，利用三角测量法来确宇宙航行时飞行器的位置。 脉冲星的发现 脉冲星是贝尔于1967年首次发现的，这在当时引起了极大的轰动。脉冲星在天文学上有很重要的研究意义，比如超新星爆发的研究、引力波探测等领域。天文学家估计，银河系约有6万颗可观测的脉冲星，目前只探测到了不到10%，发现脉冲星也是天文界持续努力的任务。 图片来源：NASA 蟹状星云脉冲星的X射线 脉冲星首次被发现的时候，科学家正在准备发射先驱者10号和先驱者11号飞行器。由于它们是最早离开太阳系的飞行器，科学家们制造了一块镀金铝板放入其中，其上绘制了人类的基本信息，旨在为外星人解释飞船的来源并送达人类的问候。 图片来源：NASA 先驱者10号携带的镀金铝板 镀金铝板图案的左侧是当时已经发现的14个脉冲星的星图，图上每个臂都是脉冲星的信号路线图，每条线对应的二进制数字，表示每颗脉冲星的脉冲周期。线长表示每颗脉冲星和太阳之间的距离。有了这些信息，理论上外星人就可以通过这14个脉冲星的位置，根据三角测量，从来找到太阳系的位置。 脉冲星导航原理 基本思路是通过不同位置的几个信号源，根据它们信号到达探测器的时间来测定飞行器的位置，其中的关键在于，脉冲星可以长期辐射高稳定脉冲信号，而且它们在银河系内分布得十分广泛。利用同一个脉冲信号到达飞行器的时间和到达太阳系质心的时间差，借助三角关系能够得到飞船的观测距离，同时探测4颗脉冲星，就能够精确得到飞船的位置和时间信息。 在国际空间站上，科学家们进行了Station Explorer for X-Ray Timing and Navigation Technology实验，简称SEXTANT，它是使用X射线定时和导航技术的空间站探测器。依靠这个探测器，该团队研究了一组由五个独立脉冲星组成的系统，它和GPS技术使用原子钟定时的方式类似，用观察信号闪烁的方法来实现定位。 图片来源：NASA 探测器靠近和远离时看到的闪烁频率的变化 想象下，当你在太空中飞行时，距你一定距离存在五颗脉冲星，当你移动的时候，观察到它们的信号闪烁频率发生改变，如果一个脉冲星的闪烁提早到达，说明你在向它移动。如果闪烁到达滞后，说明你在远离那颗脉冲星。依靠这种技术，你就能定位自己在银河系中的位置了。今年年初，NASA的SEXTANT项目组就宣布，脉冲星导航技术已经在此实验中被成功验证。 星际航行何时才能实现？ 科学家称，目前脉冲星系统还不够完美，但实验证明了这种导航模式是可以实现的。该项技术在未来必将成为星际航行的指明灯，引导人类飞往广阔的太空。 |
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