恒星对作为星系参考目标,可使飞船找到“回家的路”

2021/5/31 9:23:03 来源:新浪科技 作者:叶倾城 责编:远洋

北京时间 5 月 31 日消息,据国外媒体报道,宇宙浩瀚无垠,如果人们希望在银河系成功导航,必须需要某种可靠有效的导航系统,最新一项提议试图使该方法尽可能简单化 —— 使用恒星对作为星系参考目标。

在我们太阳系里,星际飞船依靠地球导航系统进行导航,当我们向宇宙飞船发送无线电信号并获得回复时,我们可以利用回复的时间延迟来计算星际距离。同时,我们也可以监控太空中飞行状态的航天器,通过结合所有信息(宇宙中的位置以及与地球保持的距离),我们可以确定航天器在太阳系中的位置,并将这些信息提供给航天器。

我们也可以利用多普勒频移来评估宇宙飞船远离地球的速度,通过使用散布在地球上的碟形天线阵,可以测量航天器信号到达两个碟形天线之间的时间差,当我们将这些数据和位置信息结合起来时,就会产生航天器一个完整的六维信息 —— 三维位置和三维速度。

艺术家描绘的“旅行者号”探测器进入星际空间

该方法依赖于地基雷达系统网络,它们都与航天器保持通信,这项技术适用于太阳系内的航天器,以及美国宇航局“旅行者号”探测器,但任何星际任务都需要一种新方法 —— 它们必须实现自主导航,从原则上讲,这些航天器可以使用机载导航系统,例如:时钟系统和陀螺仪,但是星际任务至少要持续几十年时间,机载系统的微小误差和不确定性无疑会导致航天器偏离轨道。

还有一种选择是利用脉冲星,脉冲星是一种旋转的天体,会定期闪烁或者脉动,由于每颗脉冲星都有独特的自转周期,这些天体可以作为深空任务的可靠指向标。该方法仅适用于太阳系附近的一个相对较小的气泡区域,因为对自转周期的测量可能会受到星际尘埃的污染,一旦无法分辨脉冲星的位置,就会在太空中迷失方向。

恒星对作为参考目标

因此星际飞船需要一种简单可靠的方法来估算它们在星系中的位置,近期一篇论文提出一个解决方案 —— 恒星自身。

该技术基于一个较早的概念 —— 视差,如果你把手指放在鼻子前面,交替闭上眼睛,就会看到你的手指出现摆动,当你从一只眼睛切换至另一只眼睛时,它的明显位置变化来自于新的视角。如果以相同的方法观测遥远天体,该天体出现的摆动幅度就很小。

正是通过视差方法,科学家们首次能测量到恒星距离,通过视差方法,能够确定航天器远离地球家园的位置。在航天器发射之前,我们对航天器装载了一份精准的恒星地图,可提供银河系附近已知所有恒星的位置。然后,当航天器加速离开太阳系时,会测量多对恒星之间的相对距离。伴随着航天器的飞行,距离航天器较近的恒星似乎处于明显移动状态,而距离较远的恒星则相对固定不动。

通过测量多对恒星,并将测量结果与原始的地球目录信息进行比较,该航天器可以计算出恒星的具体位置,以及航天器与这些恒星保持的距离,从而为航天器提供银河系内精准的 3D 位置。

相对效应

测量宇宙飞船的飞行速度确实有些棘手,它依赖于一种奇特的狭义相对论,由于光速的有限性,如果宇宙飞船飞行得足够快,天体就可能出现在不同位置,而不是真实位置。具体而言,某个天体的位置会在你运动的方向上被改变,这种效应被称为“畸变”,并且从地球上可以观测到,伴随着地球环绕太阳公转,太阳似乎在天空中轻微摆动。

只要宇宙飞船的飞行速度足够快(如果我们希望星际任务持续几十年,而不是几千年,宇宙飞船就必须达到一定的飞行速度),机载系统能够测量这种畸变效应,通过记录哪些恒星偏离了预期位置以及偏离程度,该飞船就能计算出自己的 3D 速度。

通过视差测量,宇宙飞船能在银河系内恢复自己完整的六维坐标,知道自己在什么位置,将抵达什么位置。

这项技术的精确度如何呢?依据最新研究报告,如果宇宙飞船能够测量 20 颗恒星的位置,且误差不超过 1 角秒(1 角秒是 1 角分的 1/60,而 1 角分是 1 度的 1/60),那么该飞船就能确定自己在星系中的位置,距离精确度可达 ±3 个天文单位,速度精确度可达 ±2 公里 / 秒。一个天文单位是地球与太阳的平均距离,大概 1.5 亿公里,因此误差 3 个天文单位,就相当于误差 4.5 亿公里,虽然这对于人类而言是很遥远的距离,但与恒星之间相隔数千个天文单位相比,这种误差是微不足道的。

目前,天文学家现已测量到 20 多颗恒星的精确位置,因此我们可以对宇宙飞船载入数亿颗恒星信息目录,便于太空航行使用。宇宙飞船可以测量的每个天体都将有助于更加精准地确定其具体位置,但当前我们最需要的是一艘可以持续执行太空任务的星际飞船。

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关键词:航天器恒星飞船

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