前瞻经济学人 看懂未来新十年

打开APP

复刻《三体》雪地工程?建立恒星目录,德国天文学家开发出全新星际导航系统

大数据文摘

1

作者|文摘菌  来源|大数据文摘(ID:BigDataDigest)

马斯克的星际旅行还在努力,天文学家已经开始设计导航系统,原理有点像《三体》雪地工程。

3月20日,在中国发展高层论坛2021年会上,马斯克表示跨星际旅行正在成为可能。

马斯克说,“亘久以来,这是第一次出现生命可以走出地球的机会,我们也可以去探索其他的星球,而脑机接口技术则可以确保人类意识的传递和延续”。

在3月11日举办的西南偏南大会(SXSW)上,马斯克也透露,SpaceX正在打造第一艘太空船,预计在明年上半年度就能开始短程飞行测试。

2

眼看着马斯克的星际旅行时间表越来越近,一些配套的技术也在蓬勃发展。

比如星际导航。

最近,德国马克斯·普朗克天文研究所一位名叫Coryn a.l. Bailer-Jones的天文学家设计了一款星际导航系统。

这个导航系统不同于已有的太空导航系统,它首先建立一个恒星目录,然后根据航天器与这些恒星的相对位置变化,来计算出航天器在六个维度(三个空间维度和三个速度维度)的参数。

据论文介绍,该系统在只利用20颗恒星的情况下,可以将航天器的位置和速度误差控制在3个天文单位和2公里每秒以内。

并且这种精确度可以与恒星数目的平方根成反比,例如将恒星目录增加到100颗恒星,其位置和速度精确度误差可以降到1.3天文单位和0.7公里每秒。

3

论文地址:

http://arxiv.org/pdf/2103.10389.pdf

这不就是《三体》里的雪地计划么?

看到这位天文学家提出的导航系统,文摘菌突然觉得有点熟悉。

作为半个《三体》迷,文摘菌依稀记得罗辑在水滴压制太阳导致人类不能进行宇宙广播的情况下,利用雪地工程作为掩护,将3614枚油膜氢弹作为信号,如果所有的核弹将被引爆,包裹核弹的油膜物质将在爆炸中形成围绕太阳的三千六百一十四团星际尘埃,组合成一个三维坐标图,将太阳系和地球的位置送出去。

而这次,德国科学家发射的可不是油膜氢弹,而是宇宙飞船充当的脉冲星。

新的跟踪导航系统将成为未来刚需

过去的十年间,人类仪器已经进入了星际空间。

旅行者1号和旅行者2号分别在2012年和2018年跨越了太阳系边界,也就是所谓的日球层顶。

不久后,“新地平线”号也将加入这个行列。目前,“新视野号”距离地球近14个光小时,这意味着其需要28个小时发送信号并接收响应。

未来随着越来越多的宇宙飞船与地球逐渐拉开距离,其与地球通信所需的时间也将逐渐变长。

这也就决定了如今的跟踪导航系统的会逐渐失去可用性。

论文中写道:“当飞船接近最近的恒星时,信号将变得非常微弱,光的旅行时间将是序年。”“因此,星际飞船必须自主导航,并利用这些信息来决定何时进行航向校正。这样的话,航天器就只需要通过机载测量确定其位置和速度。”

在论文中,Bailer-Jones使用模拟恒星目录测试了系统,然后以相对论宇宙飞船的速度对1997年编制的Hipparcos目录中的附近恒星进行了测试。

从下图可以看出,只利用20颗恒星的情况下,该系统可以确定航天器的位置和速度,误差不超过3个天文单位和2公里每秒(1.24英里每秒)。

这个精度与恒星数的平方根成反比。对于在100颗恒星的情况下,精度降到了1.3个天文单位和0.7公里每秒。

3

虽然该系统的准确性并无法与Gaia相匹敌,但目前,我们仍然处于测试可行性的阶段,因此该项工作仍然具有它的意义。

当然,目前仍然存在一些需要解决的问题,比如该系统没有考虑到恒星二进制文件(stellar binaries),也没有考虑仪器。

甚至,该系统还有可能与脉冲星导航一起使用,这样两个系统就可以最小化彼此的缺陷。

NASA早已开始利用脉冲星进行导航研究

不过,Bailer-Jones也不是第一个想到这一点的人。

2018年,美国航天局NASA就开发了一种星际导航系统,这种全新的星际导航系统可以将宇宙飞船以脉冲星作为引导星,从而超出太阳系,到达更远的范围。

这种技术被称为X射线定时导航技术(X-ray Timing and Navigation Technology),或者六分仪(18世纪的一种航海仪器),它使用X射线来观测毫秒脉冲星,就像GPS使用卫星一样。

我们知道,大质量恒星核心坍塌并爆炸后,脉冲星作为一种高度磁化的、快速旋转的中子星出现了。当脉冲星旋转时,会发出电磁辐射,这个时候,如果观察者处于正确的位置,可以看到其像扫掠光束(sweeping beams)一样出现,宛如宇宙灯塔般。

脉冲星也严格遵循着自身的规则,以毫秒级脉冲星为例,其每秒可旋转数百次,规则性可以与原子钟相媲美。

这其实也就是引导工程师们产生开发六分仪的原因。由于脉冲星的规则性,以及其在宇宙中的固定位置,因此,为何不像GPS使用原子钟那样来使用它们呢?

3

既然如此,说白了,这个星际导航系统的工作原理就像是一个GPS接收器,它首先从至少三颗装配有原子钟的GPS卫星上接收信号,接收器测量每个卫星的时间延迟,随后将其转换为空间坐标。

而脉冲星发出的电磁辐射在X射线光谱中最为明显,这也就是美国宇航局的工程师选择使用X射线探测的原因所在了。

为此,他们使用了一个与国际空间站相连的天文台。这个天文台被称为中子星内部成分探测器NICER,其内部包含有52个X射线望远镜和硅漂移探测器,用于研究中子星,其中也就包括脉冲星。

他们使用这个NICER去捕捉四颗脉冲星:J0218+4232、B1821-24、J0030+0451和J0437-4715。由于这四颗脉冲星的规则性,由此可以精确地预测未来数年的脉冲情况。

在两天的时间里,NICER对这些脉冲星进行了78次测量,这些测量结果被送入了星际导航系统。然后,系统利用这些测量数据计算出了NICER在国际空间站绕地球轨道上的位置。

随后,将该信息与GPS数据进行比较,目标是将NICER定位精确到在10英里(16公里)半径内。八个小时后,系统计算出了NICER的位置,在接下来的实验中,该位置均保持在10英里阈值以下。

如今,随着马斯克的豪言,以及相关导航系统的开发,《星际穿越》中的科幻场景可能真的会在不久变成现实。诺兰,带预言家!

编者按:本文转载自微信公众号:大数据文摘(ID:BigDataDigest),作者:文摘菌


阅读全文
打开APP,享受沉浸式阅读体验

提问研究员

一键提问研究员,零距离互动交流

我要提问
1

App数据库能为你做什么?

看看用户怎么说

2

App问答能为你做什么?

看看用户怎么说

3

App报告能为你做什么?

看看用户怎么说

4

App文章能为你做什么?

看看用户怎么说

相关阅读