太空中航行的“灯塔”

文章作者:lili | 2016-08-30
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X射线脉冲星,由卫星发现的X射线源有一半以上是在银河系内,其余的则是活动星系的核心或星系团中的高温气体。X射线脉冲星导航系统由X射线成像仪和光子计数器(探测器)、星载原子时钟、星载计算设备、导航模型算法库和脉冲星模型数据库组成。脉冲星是高速自转的中子星,具有极其稳定的周期性,其稳定度优于10,被誉为自然界最精准的天文时钟。因此,脉冲星能够成为人类在宇宙中航行的"灯塔",为近地轨道、深空和星际空间飞行的航天器提供自主导航信息服务。由此可知,脉冲星对我们探索宇宙有着导航的作用,让我们在宇宙中不会迷路。

X射线脉冲星为深空GPS系统指明了方向

最简单的一种被称为“三角修正”,通过利用船上原子钟对从单一脉冲星定期传入的X射线脉冲进行记时,并将结果与在标准位置脉冲的预期到达时间相比较。

据国外媒体报道,国家物理实验室(NPL)和莱彻斯特大学的科学家已经开发了一套星际间导航技术,这项技术基于来自X射线脉冲星的高度周期性信号。根据研究者的说法,利用搭载在飞船上的小型X射线望远镜,飞船就可以在深空中确定自己的方位,精度甚至能达到2公里。整套系统被称为“XNAV”,它借助对脉冲星信号的仔细记时来对飞船进行三角定位,从而得出飞船相较于一个标准位置的方位。

当脉冲星旋转时,它们会从两极放出电磁波辐射。如果这些射线指向地球,那么它们就表现为规律的脉冲。有些双星系统中的脉冲星会从他们的伴星处夺取气体,这些气体会聚集在脉冲星的两极。气体在此会被加热到极高的温度,以至于向外释放X射线。这就是用作星际导航的脉冲星,如同庞大而笨重的天线。相较而言X射线探测器则小得多,它们常常只搭载一个单像素的传感器,很容易就能装进宇宙飞船的载荷里。

到2013年,XNAV的有关理论研究已经达到了一个关键点。欧空局组织了一支由科学家Setnam Shemar牵头的团队来进行可行性研究,以期有朝一日能将这一技术运用在飞船上。Shemar的团队分析了两种技术:最简单的一种被称为“三角修正”,通过利用船上原子钟对从单一脉冲星定期传入的X射线脉冲进行记时,并将结果与在标准位置脉冲的预期到达时间相比较。两个记时结果之间的差异,连同通过地面跟踪估计的航天器初始位置综合考虑,就可以得到更精确的飞船位置。

莱彻斯特大学的Adrian Martindale也是可行性研究团队的一员。他表示,尽管操控机制后的工程非常复杂,但所需的科技并非遥不可及。在成本、复杂性以及XNAV需要的X射线探测器的规模上,团队引用了将于2018年的Bepi-Colombo任务发射升空的水星成像和X射线光谱仪(MIXS)作为例证。Shemar认为他们已经证明整个计划具备可行性,但他同时提醒我们,一些技术必需追赶理论工作。尽量减小探测器质量、减少每个脉冲星的观测时间与开发一个合适的操控机制都是巨大挑战。

科学家认为对XNAV很快将用于太空飞船的导航仍抱有疑虑,技术会随着实际需求出现。自动化脉冲星导航对于深空探测任务的确很有吸引力,但是很长一段时间里我们都没有类似的计划,这项研究已经发表在期刊《实验天文学》上。

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