星际探索如何导航?
创始人
2024-12-26 01:26:42
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科幻电影中,太空飞船启动引擎,在巨大的闪光与轰鸣声中,飞船奔向其他星球乃至星系。

在地球上,我们靠地图软件导航去陌生的地方,到了太空,没有“宇宙地图APP”,飞船不会迷路吗?其实,人类已经实现了几种太空导航方法,它们在星际探索时代也能为飞船指路。

空中指南针

人类自古以来就靠指南针来确定方向,指南针指示的正是地球的南北磁极。

在大气层和近地轨道,依然存在较强的地球磁场,航天飞机和人造卫星能靠其辨认方向,再加上它们拥有红外地平仪——测量飞行器与地球之间的垂直距离的仪器,近地航天已经实现了精准的定位和导航。

地球当遥控

在月球和火星,地球的磁场效应微乎其微。探月卫星、探火卫星基本探测不到地球磁场,而是采用无线电导航。

卫星飞行时,其搭载的“星体追踪器”能够在光学上识别出周围的星星,也就是通过“目测”来确定自己相对于地球的大致方位。它会定期向地球发射无线电信号,这一信号会被地球上不同地方的天线接收到。无线电也属于电磁波,它的传播速度和光一样快,但在这么远的距离,它到达不同天线的用时也会出现微小的差别。根据时间差和两个观测站之间的距离,地面站就能通过几何运算确定卫星的位置,再把这些信息告诉卫星。

自己认路

去到比火星更远的太阳系空间,无线电要用很长时间才能到达地球,甚至有可能丢失信号,航天器不能再依赖地球,而要学会自己认路。

惯性导航不依赖外部,它会根据物体自身的加速度来推算其移动方向,是航天器的得力助手。但就像你闭着眼睛走路会越走越歪那样,随着时间推移,惯性导航的误差会逐渐累积,因此需要辅助导航来校准。人类已经摸清了太阳系内行星在任意时刻的位置,并制成了星历表;航天器观测到几颗行星后,可以根据行星之间的夹角、行星和恒星之间的夹角等信息,与星历表对比,推理出自己的位置、速度等参数。朱诺号木星探测器、卡西尼号土星探测器都是利用这两种手段导航的。

聆听“星跳”

飞出太阳系之后,太阳系内的星历表也不管用了。为此,天文学家提出了一个全新的定位方法——脉冲星导航。

脉冲星是一种特殊的中子星,它在高速自转的同时,会放出X射线。只有当脉冲星磁极恰好转到对准航天器时,航天器才能收到它的X射线;这导致脉冲星的信号是一阵一阵的,就像人的心跳。

如果你留意过疾驰而过的救护车,就会发现鸣笛声在救护车靠近时会变得尖锐,车辆驶远后又变得低沉,这被称为“多普勒效应”。天体发出的电磁波也会产生这种效应,航天器靠近某颗脉冲星时,收到的X射线频率会变高,就像“心跳加速”;远离这颗脉冲星时,信号频率就会变低。这样,航天器就能判断自己是在靠近还是远离这颗脉冲星。

如果同时观测多颗脉冲星,就能让它们像灯塔那样指示方向,人们已在银河系中发现了数千颗脉冲星,因此脉冲星导航是未来探索太阳系外空间最有潜力的导航系统。著名的旅行者1号、2号探测器就记录了太阳系相对于14颗脉冲星的位置,它们都已抵达太阳系外部空间,正朝着太阳系外飞去。

新家园的星图

以上这些导航手段不是孤立的,很多时候需要联合使用。

人类向深空发展的脚步不会停止,在遥远的未来,如果人类迁居到其他恒星系统甚至其他星系,在新的行星上建立家园,我们同样能把这颗行星当作新地球,利用它的磁场、地面站以及周围行星与脉冲星绘制出新的地图,在苍茫的星海中找到航路。

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