脈沖星計時

脈沖星

自從1967年人類發現第一顆脈沖星，截至2025年，全世界總共發現的脈沖星只有3000多顆，其中包括中國天眼發現的1000多顆。脈沖星的發現拓寬了人類認識宇宙的視野，被譽為20世紀60年代天文的四大發現之一。脈沖星為什么這么重要呢？

宇宙中的恒星都有磁場和自轉，其自轉軸與磁場方向一般都有一定角度。也就是說，恒星每自轉一周，它的磁場發出的輻射就會在空間劃出一個圓圈，如果地球在這個圈內就可能被掃過一次（參見圖1）。

由于恒星距離地球非常遙遠，它們發射的磁輻射信號能到達地球且被感知，需要很強的磁場；如果這些磁輻射信號是快速脈沖式的，就表示恒星旋轉非常快；自然界旋轉快的東西體積相對很小，而體積小又能發出超強磁場的東西就必須質量很大。科學家分析了脈沖星輻射信號的特性，認為這樣的星體具有很強的磁場、很小的體積、很大的質量，理論上只有中子星這樣高密度且快速旋轉的恒星才能發出這樣強烈而快速的脈沖信號。

脈沖星時

脈沖星具有非常穩定的自轉周期，其自轉周期的變化率達到10-19～10-21，比原子振蕩周期的穩定性更高，被譽為自然界最精準的且不用供電的天文時鐘。其中，毫秒脈沖星的穩定性更高，每萬億年才會產生1秒誤差。相比于人類現在使用的原子鐘需要龐大的高科技系統支持，毫秒脈沖星不需要人為校準和高科技系統維護。所以，脈沖星在宇宙航行領域是可以替代原子鐘的潛在的未來時間標準（參見圖2）。

由單顆脈沖星確定的脈沖星時可能受觀測誤差等因素影響，利用多顆脈沖星計時的觀測資料，可以建立更穩定的綜合脈沖星計時系統，其長期穩定度更優。單個射電望遠鏡可以對一組脈沖星進行長期觀測，組成一個脈沖星計時陣；世界上多個脈沖星計時陣還可以組成國際脈沖星計時陣，利用國際脈沖星計時陣的長期觀測與綜合處理，可以建立更高精度的綜合脈沖星時系統（參見圖3）。

脈沖星導航

我們在大海里航行經常會看到燈塔。設想一座燈塔總是在不停而有規律地旋轉，燈塔每轉一圈，由它窗口射出的燈光就照射到我們的船上一次。脈沖星也是一樣，它每自轉一周，我們就能接收到一次它輻射的電磁波，于是就形成一斷一續的脈沖信號。脈沖星向宇宙中的某些方向不斷輻射脈沖信號的現象，叫做“燈塔效應”。當我們駕駛飛船向宇宙深處進軍的時候，我們就可以利用眾多脈沖星燈塔指示前行的方向，也能根據脈沖星燈塔找到回家的路（參見圖4）。

脈沖星定位

當前，人類已經實現對地球表面位置的精確定位，這是通過數十顆近地衛星和多處地面站點建立的全球衛星定位系統提供的。每顆衛星和地面站都要裝備精確的時鐘，進而形成覆蓋全球的統一精確的時間系統。通過空間和地面站點對測定的位置目標發射信息和返回信息的交叉測算，獲得經緯度等地理位置的精確信息。人們常用“差之毫厘，謬以千里”來形容起始的毫厘誤差會導致遠處的千里之謬。一般來說，時鐘精度越高，測算獲得的定位精度越高，因為位置是用時間與距離等信息計算出來的（參見圖5，圖6）。

在地球上，我們可以依靠高科技的全球定位系統確定位置，那么當我們離開地球越來越遠，不斷向那無垠的宇宙探索時，又該如何確定地球乃至我們自身的位置呢？或者說，我們如何確定地球在宇宙中的確切空間位置？因此，我們迫切需要一種更為客觀、準確的定位方式，類似于空間經緯度那樣，精確地標定地球在宇宙中的位置。

脈沖星定位就是利用脈沖星信號來確定航天器空間位置與速度的測繪學方法。該技術通過探測器接收多顆脈沖星信號，建立時間相位觀測模型，解算航天器在空間坐標系中的三維位置與速度參數。一旦我們掌握了多顆脈沖星的位置信息，便能追溯出包括地球在內的所有天體的相對位置。掌握多顆脈沖星位置可幫助確定地球和其他天體的相對位置，脈沖星定位與導航系統有望成為將來人類進軍深空探索的有利工具（參見圖7）。