千萬光年之遙,最穩定的天文時鐘 中國11月發射衛星試驗「脈衝星導航」

2016-10-09 12:52

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「脈衝星導航」衛星試驗想像圖(取自網路)

「脈衝星導航」衛星試驗想像圖(取自網路)

在行動網際網路時代,人們的出行日益依賴衛星導航。GPS導航家喻戶曉,可是你聽說過脈衝星導航(pulsar-based navigation)嗎?沒錯,就是離我們千萬光年之遙的脈衝星!雖然遙遠而又陌生,只要加以科學利用,它們就可以給人造地球衛星和太空船提供導航,甚至開啟人類星際之旅。現在,中國的科研人員正在嘗試把這個「狂想」變成現實。

10月8日恰逢中國航天事業創建60周年。據《新華社》報導,中國將於11月發射首顆脈衝星導航試驗衛星(XPNAV-1),實測脈衝星發射的X射線訊號,嘗試驗證脈衝星導航技術體制的可行性。

中國空間技術研究院脈衝星導航衛星科學任務系統總設計師帥平表示,恆星的一生也像人一樣,經歷從孕育誕生,到成長成熟,以及最終衰老死亡的整個過程。大體上說來,恆星死亡後的遺骸可以分為三類:白矮星、中子星和黑洞。

帥平說:「脈衝星就是高速自轉的中子星,具有極其穩定的周期性,其穩定度比目前最穩定的氫原子鐘還要高1萬倍以上,被譽為自然界中最穩定的天文時鐘,使之成為人類在宇宙中航行的燈塔。」

自然界最精準的天文時鐘

脈衝星的典型半徑僅有10公里,其質量卻是太陽的1.44倍至3.2倍,是除黑洞之外密度最大的天體。每立方公分的脈衝星質量達到1億噸,要用1000艘百萬噸級的巨輪才能拖動。

脈衝星的自轉軸與磁極軸之間有一個夾角,兩個磁極各有一個輻射波束。當星體自轉且磁極波束掃過安裝在地面或太空船上的探測設備時,探測設備就能夠接收到一個脈衝訊號。脈衝星具有良好的周期穩定性,其穩定度達到10的負19次方。

「10的負19次方是什麼概念呢?就是兩個脈衝訊號點之間的周期差值,只有在小數點後面第19位才會出現變化。」帥平解釋說,目前國際時間基準是原子時系統,最好的氫原子鐘的穩定度只能達到10的負15次方水準,比脈衝星時鐘的穩定度還要低4個量級。

帥平說:「這就好像把原來的時間尺子刻度加密到1∕10000,刻度更細密了,我們就能量得更精確、看得更細緻。」

可是,導航和時間精準不精準有什麼關係呢?

事實上,無論是最早出現的地文導航,還是大航海時代的天文導航,還是現代的無線電導航,都需要時間。

例如,所處位置的經度測量就得依賴於時間測量。眾所周知,地球每24小時自轉一周,也就是360度,每小時就相當於經度15度。所以,只要知道兩地的時間差,就可以知道兩者之間的經度差了。如果某地的正午12點正好是倫敦的上午10點,那麼就說明此地在倫敦東邊30度的地方。所以,導航的核心就是要解決時間測量問題。

帥平表示說,在無線電導航中,時間測量是基本觀測量,根據訊號傳播時間來計算兩者之間的距離。衛星導航系統是一種天基的無線電導航系統,採用單向達到時間測量距離。脈衝星導航與衛星導航定位原理極為相似,其觀測距離是利用脈衝星發射的同一個X射線脈衝訊號到達太陽系質心和太空船的時間差來測定的。當前,衛星導航定位精度為10公尺,脈衝星導航的最終精度也能夠達到10公尺水準。

X射線脈衝星的獨特優勢

脈衝星在射電、紅外、可見光、紫外、X射線或伽馬(γ)射線等電磁波段發射訊號。為什麼要選擇X射線脈衝星來探索組建導航系統呢?

事實上,早在1974年,美國國家航太總署(NASA)噴射推進實驗室的科學家就首次提出基於脈衝星射電訊號的太空船自主軌道確定方法。然而,這一方法缺陷明顯,其中最大的問題是,脈衝星在射電頻段訊號極其微弱,需要至少25公尺口徑的天線才能探測到。「這麼大口徑的天線有好幾噸重,放到衛星上,衛星都被壓扁了。」帥平說。

對於紅外、可見光和紫外脈衝星來說,由於數量稀少,光度較低,要求較大口徑的望遠鏡以及較高的指向精度和訊號處理技術,也不宜用於太空船自主導航。

「X射線屬於高能光子,集中了脈衝星絕大部分輻射能量,易於小型化設備探測和訊號處理,使其應用於太空船成為可能。」帥平說,「脈衝星導航就是利用脈衝星發射的X射線訊號作為天然信標,引導太空船在宇宙空間自由航行的。」

不過,X射線難於穿透地球稠密的大氣層,因此只能在地球大氣層外空間才能觀測到。所以,脈衝星導航系統不能直接對地面進行導航,而是對近地軌道衛星、深空探測及星際飛行器進行導航。

帥平指出,實現導航星座衛星的長時間高精度自主導航,將是脈衝星導航的一個重要應用方面。目前,導航星座本身需要地面控制系統不斷注入信息來支持,不能脫離地面信息而長時間獨立運行。

「如果導航星座能實現自主導航,那麼將有效地減輕地面測控系統的工作負擔,減少測控站的布設數量和地面站至衛星的信息注入次數,降低衛星導航系統的建設和長期運維費用。」帥平說,「減少導航星座對地面控制系統的依賴,也能增強系統自主生存能力,具有極其重要的工程應用價值和戰略研究意義。」

他指出,以脈衝星輻射的X射線訊號作為天然信標,導航衛星可以自主生成導航電文和控制指令,維持星座基本構形,不存在星座整體旋轉誤差累積問題,從而實現導航星座長時間自主運行。

同時,導航衛星自主導航也是實現低軌道太空船高精度自主導航的基礎和前提,可以減少低軌道太空船的管理和維持費用,帥平說。

目前,已發現和編目的脈衝星達到2000多顆,其中約有160多顆脈衝星具有良好的X射線訊號周期穩定輻射特性,可以作為導航候選星。

未來的時間可能是脈衝星時間

雖然前景振奮人心,脈衝星導航到底行不行?沒有人知道。「儘管上世紀七十年代就提出關於脈衝星導航的概念,但是基於現代衛星導航系統到達時間測距思想而提出的X射線脈衝星導航技術問題,也僅是近10年來的事。目前,X射線脈衝星導航技術研究處於關鍵技術研究與地面驗證階段,即將開展空間飛行試驗,實測驗證其可行性。」帥平說。

這一次,中國不再跟隨美歐的腳步,而要成為「第一個吃螃蟹的人」。「11月將擇機發射的世界上首顆脈衝星導航試驗衛星將搭載兩種類型的探測器載荷:一個是準直型微通道板探測器,探測面積為2400平方公分;另一個是聚焦型探測器,聚焦鏡頭口徑為17公分。」帥平說。

據他表示,這顆衛星有三個試驗目標:

第一,上天實測兩種不同類型的探測器性能,同時利用探測器研究宇宙的背景噪聲。背景噪聲就像沙子,而脈衝星訊號是他們要尋找的金子。要從沙子裡淘出金子來,瞭解背景噪聲是一項基礎性工作。

第二,探測蟹狀星雲脈衝星(Crab),解決中國研製的探測器「看得見」脈衝星的問題。早在1054年,宋朝的天文學家就首次觀測並記錄了蟹狀星雲脈衝星的超新星爆發,探尋祖先發現的這顆脈衝星,也將成為中國X射線脈衝星探測的歷史性跨越。同時,還計劃探測另外7顆脈衝星,包括4顆脈衝星雙星系統和3顆低流量的脈衝星,並開展相關拓展試驗。

第三,探測3顆低流量脈衝星。蟹狀星雲脈衝星的流量是每秒鐘每平方公分1.54個光子,但是低流量脈衝星每秒鐘每平方公分只有0.001個光子,探測難度更大,但是更有希望用於導航。這是因為低流量脈衝星大量存在,同時不會像蟹狀星雲脈衝星那樣因為周期躍變而導致穩定度下降。如果能探測到3顆低流量脈衝星,那麼就可以實測驗證脈衝星導航技術的可行性。

「接下來,我們打算通過5到10年的努力,探測26顆脈衝星,把它們的數據測得非常精準,建立脈衝星導航數據庫。」帥平說,這26顆脈衝星分佈在整個天球當中,距離地球都十分遙遠,從幾千到幾萬光年不等。

因為各項工作幾乎無先例可循,帥平帶領的研究團隊歷時10年的攻關研究,突破了探測器、數據庫、時間同步和大尺度導航等關鍵技術。

雖然還不知道結果會怎樣,帥平對未來卻充滿信心。「以脈衝星為基準的時間系統如果建成了,將是顛覆性的。也許不久的將來,我們的太空船可以長時間不需要人來照料,我們對表的時間將是脈衝星時間。」

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