脈沖星：未來深空航天器的導(dǎo)航燈

尹懷勤

2016年11月10日，長征十一號運載火箭成功將我國首顆脈沖星導(dǎo)航試驗衛(wèi)星送入預(yù)定太陽同步軌道。那么，什么是脈沖星？它又是如何執(zhí)行導(dǎo)航任務(wù)的呢？

精準(zhǔn)的天文時鐘

脈沖星是20世紀(jì)60年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)之一。1967年，英國射電天文學(xué)家喬瑟琳·貝爾在行星際閃爍觀測研究中，偶然發(fā)現(xiàn)一個時隱時現(xiàn)的射電脈沖源，其周期非常穩(wěn)定，每隔1.3373秒就記錄到一次脈沖信號，故而將其取名為脈沖星。這讓當(dāng)時的科學(xué)界和公眾頗感困惑，甚至一度認(rèn)為脈沖信號是外星人發(fā)來的聯(lián)系“電報”。1968年，科學(xué)家在超新星SN1054遺跡即蟹狀星云中發(fā)現(xiàn)脈沖星，脈沖周期是0.0331秒。這顆脈沖星比較特殊，因為它的前身超新星爆發(fā)是我國古代天文學(xué)家最早用文字明確記錄的，見于1054年7月宋朝史官編寫的《宋會要》，將其稱為“客星”。1942年，荷蘭天文學(xué)家奧爾特以令人信服的論證，確認(rèn)蟹狀星云就是1054年超新星爆發(fā)后形成的。

“年老”的恒星可能會突然發(fā)生爆炸，亮度猛然增加上萬倍，然后才慢慢變暗。那些爆炸時亮度特別高的星星便被稱為“超新星”。恒星的核能耗盡以后，死亡的恒星遺骸分為白矮星、黑洞和中子星三種類型，脈沖星則是中子星的一種。

脈沖星屬于高速自轉(zhuǎn)的中子星。脈沖星之所以能夠發(fā)射穩(wěn)定的電磁脈沖信號，得益于它的小體積和大質(zhì)量，以及星體高速自轉(zhuǎn)并具有強(qiáng)大的磁場。在宇宙中，恒星的體積越小、質(zhì)量越大，其磁場就越強(qiáng)。典型脈沖星的半徑僅有10千米，質(zhì)量卻在1.44 ～3.2倍太陽質(zhì)量之間，是宇宙中除黑洞以外密度最大的天體。在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的脈沖星中，自轉(zhuǎn)周期最快的可達(dá)到0.001337秒。因此，只有高速自轉(zhuǎn)的中子星才適合扮演脈沖星的角色。

脈沖星具有極其穩(wěn)定的信號周期。目前國際時間基準(zhǔn)基于原子時系統(tǒng)。天宮二號實驗室搭載的空間冷原子鐘，雖然有望實現(xiàn)約3000萬年誤差1秒的超高精度，比氫原子鐘數(shù)百萬年誤差1秒要高出一個數(shù)量級，但與脈沖星提供的時間精度相比還是相差甚遠(yuǎn)的。因此，脈沖星有“自然界最精準(zhǔn)的天文時鐘”的美譽。

非凡的導(dǎo)航素質(zhì)

作為自然界最穩(wěn)定、最精準(zhǔn)的天文時鐘，脈沖星將成為未來人類探索宇宙的燈塔。目前使用的GPS、格納洛斯、北斗和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由于受衛(wèi)星運行軌道高度的限制，并不能為在深空中飛行的航天器進(jìn)行自主導(dǎo)航，而傳統(tǒng)的天文導(dǎo)航方式精度較低、技術(shù)難度大，利用地面深空探測

網(wǎng)對航天器進(jìn)行跟蹤，測控信號強(qiáng)度會隨著距離的增大而衰減。故科學(xué)家設(shè)想，利用已發(fā)現(xiàn)的脈沖星為深空航天器進(jìn)行導(dǎo)航。

截至目前，已發(fā)現(xiàn)和編目的脈沖星數(shù)量已達(dá)到2000多顆，其中160多顆具有良好的X射線周期輻射特性，可作為導(dǎo)航候選星，而人類在地球上能觀測到的脈沖星還只是其中的一小部分。天文學(xué)家估計，銀河系的中子星總數(shù)可能有數(shù)萬顆。

脈沖星可以在射電、紅外、可見光、紫外、X射線和γ射線等多個電磁波頻段產(chǎn)生信號輻射，其中X射線信號最為穩(wěn)定，最適宜用來為導(dǎo)航服務(wù)。人們通常也把在該頻段輻射信號的脈沖星稱為X射線脈沖星。

當(dāng)脈沖星高速自轉(zhuǎn)時，磁極波束若掃過安裝在地面或航天器上的探測設(shè)備，該設(shè)備就能接收到一個脈沖信號。依靠脈沖星發(fā)出的X射線脈沖信號，就可以為航天器提供高精度的位置、速度、時間和姿態(tài)等豐富的自主導(dǎo)航信息服務(wù)。那時的脈沖星，就猶如一個在浩渺宇宙中持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)出導(dǎo)航信號的燈塔。

其實，利用脈沖星進(jìn)行導(dǎo)航的設(shè)想，早在40年前就被提出，但利用X射線脈沖星進(jìn)行航天器自主導(dǎo)航的理論研究卻只經(jīng)歷了10多年的發(fā)展時間。

2004～2005年，美、歐先后啟動“X射線導(dǎo)航與自主定位計劃”與“ESA深空探測器脈沖星導(dǎo)航研究計劃”。美國國家航空航天局預(yù)定2017年實施在國際空間站安裝“空間站X射線授時與導(dǎo)航技術(shù)探索”儀器的計劃。2005年以來，我國也開展了有關(guān)X射線脈沖星導(dǎo)航的課題研究，并于2016年成功發(fā)射脈沖星導(dǎo)航試驗衛(wèi)星。這是世界上首個在軌的脈沖星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)。

脈沖星試驗衛(wèi)星

我國的脈沖星試驗衛(wèi)星升空后，在其開展的試驗任務(wù)中，有一項就是探測蟹狀星云脈沖星的靚麗身影。2016年12月至2017年1月是觀測蟹狀星云脈沖星的最佳時間。當(dāng)然，過了這段時期之后，衛(wèi)星還要繼續(xù)進(jìn)行觀測試驗。衛(wèi)星入軌后，將開展在軌技術(shù)試驗，驗證星載脈沖星探測器性能指標(biāo)和空間環(huán)境適應(yīng)性，積累在軌實測脈沖星數(shù)據(jù)，為脈沖星探測及技術(shù)體制驗證奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

脈沖星試驗衛(wèi)星的基本工作原理是，通過捕捉脈沖星發(fā)出的X射線，來找到這種奇特的天體。此次發(fā)射的脈沖星試驗衛(wèi)星搭載兩種不同類型的脈沖星探測器：準(zhǔn)直型微通道板探測器和掠入射聚焦型探測器，均為我國首次在軌使用。利用上述兩種探測器對X射線脈沖星的脈沖信號進(jìn)行探測收集和采集，最終實現(xiàn)在軌對脈沖星導(dǎo)航技術(shù)的原理驗證。

未來，我國脈沖星導(dǎo)航研究團(tuán)隊還將用5～10年的時間，持續(xù)探測26顆脈沖星，建立精確的脈沖星導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫，為這種自然形成的宇宙燈塔繪制最基礎(chǔ)的地圖，以便進(jìn)行后續(xù)導(dǎo)航技術(shù)的試驗。在此基礎(chǔ)上，再經(jīng)努力攻關(guān)和充分驗證，我國有望率先建立以脈沖星周期為主的時空基準(zhǔn)，航天器將使用全新的脈沖星時間，實現(xiàn)自主定位與導(dǎo)航。未來各種航天器無論飛得再遠(yuǎn)再久，也不會擔(dān)心迷失方向。即便是宇航員踏上宇宙飛船，來一次說走就走的星際旅行，也有了指路燈標(biāo)。

【責(zé)任編輯】龐 云