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恒星對作為星系參考目標,幫助飛船找到“回家的路”

發布時間:2021-06-22 11:00 來源:新浪科技

  宇宙浩瀚無垠,如果人們希望在銀河系成功導航,必須需要某種可靠有效的導航系統,最新一項提議試圖使該方法盡可能簡單化——使用恒星對作為星系參考目標。

  在我們太陽系里,星際飛船依靠地球導航系統進行導航,當我們向宇宙飛船發送無線電信號并獲得回復時,我們可以利用回復的時間延遲來計算星際距離。同時,我們也可以監控太空中飛行狀態的航天器,通過結合所有信息(宇宙中的位置以及與地球保持的距離),我們可以確定航天器在太陽系中的位置,并將這些信息提供給航天器。

藝術家描繪的“旅行者號”探測器進入星際空間藝術家描繪的“旅行者號”探測器進入星際空間

  我們也可以利用多普勒頻移來評估宇宙飛船遠離地球的速度,通過使用散布在地球上的碟形天線陣,可以測量航天器信號到達兩個碟形天線之間的時間差,當我們將這些數據和位置信息結合起來時,就會產生航天器一個完整的六維信息——三維位置和三維速度。

  該方法依賴于地基雷達系統網絡,它們都與航天器保持通信,這項技術適用于太陽系內的航天器,以及美國宇航局“旅行者號”探測器,但任何星際任務都需要一種新方法——它們必須實現自主導航,從原則上講,這些航天器可以使用機載導航系統,例如:時鐘系統和陀螺儀,但是星際任務至少要持續幾十年時間,機載系統的微小誤差和不確定性無疑會導致航天器偏離軌道。

  還有一種選擇是利用脈沖星,脈沖星是一種旋轉的天體,會定期閃爍或者脈動,由于每顆脈沖星都有獨特的自轉周期,這些天體可以作為深空任務的可靠指向標。該方法僅適用于太陽系附近的一個相對較小的氣泡區域,因為對自轉周期的測量可能會受到星際塵埃的污染,一旦無法分辨脈沖星的位置,就會在太空中迷失方向。

  恒星對作為參考目標

  因此星際飛船需要一種簡單可靠的方法來估算它們在星系中的位置,近期一篇論文提出一個解決方案——恒星自身。

  該技術基于一個較早的概念——視差,如果你把手指放在鼻子前面,交替閉上眼睛,就會看到你的手指出現擺動,當你從一只眼睛切換至另一只眼睛時,它的明顯位置變化來自于新的視角。如果以相同的方法觀測遙遠天體,該天體出現的擺動幅度就很小。

  正是通過視差方法,科學家們首次能測量到恒星距離,通過視差方法,能夠確定航天器遠離地球家園的位置。在航天器發射之前,我們對航天器裝載了一份精準的恒星地圖,可提供銀河系附近已知所有恒星的位置。然后,當航天器加速離開太陽系時,會測量多對恒星之間的相對距離。伴隨著航天器的飛行,距離航天器較近的恒星似乎處于明顯移動狀態,而距離較遠的恒星則相對固定不動。

  通過測量多對恒星,并將測量結果與原始的地球目錄信息進行比較,該航天器可以計算出恒星的具體位置,以及航天器與這些恒星保持的距離,從而為航天器提供銀河系內精準的3D位置。

  相對效應

  測量宇宙飛船的飛行速度確實有些棘手,它依賴于一種奇特的狹義相對論,由于光速的有限性,如果宇宙飛船飛行得足夠快,天體就可能出現在不同位置,而不是真實位置。具體而言,某個天體的位置會在你運動的方向上被改變,這種效應被稱為“畸變”,并且從地球上可以觀測到,伴隨著地球環繞太陽公轉,太陽似乎在天空中輕微擺動。

  只要宇宙飛船的飛行速度足夠快(如果我們希望星際任務持續幾十年,而不是幾千年,宇宙飛船就必須達到一定的飛行速度),機載系統能夠測量這種畸變效應,通過記錄哪些恒星偏離了預期位置以及偏離程度,該飛船就能計算出自己的3D速度。

  通過視差測量,宇宙飛船能在銀河系內恢復自己完整的六維坐標,知道自己在什么位置,將抵達什么位置。

  這項技術的精確度如何呢?依據最新研究報告,如果宇宙飛船能夠測量20顆恒星的位置,且誤差不超過1角秒(1角秒是1角分的1/60,而1角分是1度的1/60),那么該飛船就能確定自己在星系中的位置,距離精確度可達±3個天文單位,速度精確度可達±2公里/秒。一個天文單位是地球與太陽的平均距離,大概1.5億公里,因此誤差3個天文單位,就相當于誤差4.5億公里,雖然這對于人類而言是很遙遠的距離,但與恒星之間相隔數千個天文單位相比,這種誤差是微不足道的。

  目前,天文學家現已測量到20多顆恒星的精確位置,因此我們可以對宇宙飛船載入數億顆恒星信息目錄,便于太空航行使用。宇宙飛船可以測量的每個天體都將有助于更加精準地確定其具體位置,但當前我們最需要的是一艘可以持續執行太空任務的星際飛船。

編輯:徐菁
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