第536章 伯格曼核
近日，在美國天文學會第231次會議上，美國宇航局中子星內部組成探測器（NICER）任務的首席研究員Keith Gendreau介紹了一件令人矚目的事情：第一次成功地演示了使用脈衝星進行導航的係統空間。
其基本思想與全球定位係統（GPS）或其他全球衛星導航係統相似。當您使用GPS來尋找前往星巴克的路線時，您將依賴於位置已知的一係列衛星的傳輸。您測量的信號的時間可以被用來推斷接收器的位置。但是，隻有當接收器在地球上或靠近地球時才有效。如果你想在深空去參觀星巴克，你必須通過其他方式來找到它。
目前，深空導航主要依靠使用從地球發送的無線電信號傳輸到遠距離的探測信號，這些信號必須用巨型天線發送。探測器通過發回信號做出響應。因此，從信號以光速傳播到探測器的時間和返回信號的時間長度來計算距離-總距離並不難。但角度更難釘住。因此，當您離開地球時，這樣的位置準確性就會降低。事實上，對於重要的操作，比如插入到比木星還遠的軌道中去，空間導航做這些是具有挑戰性的。
那麽遠離地球的航天器怎麽能夠精確地定位呢？一種可能性是使用脈衝星作為一種天然的GPS信標。要理解這種方式是行得通的，你首先需要了解一些關於脈衝星的知識。
第一顆脈衝星是1967年發現的，當時無線電天文學家約瑟琳·貝爾·伯內爾（Jo Bell Burnell）和安東尼·海維什（Antony Hele Green Men）。盡管他們並不認為自己已經發現了來自智能外星人的信號，但他們卻不知該如何解釋這種現象。
不久之後，還發現了其他的脈衝星信號，並且出現了一個模型，說明這些脈動無線電信號是如何自然產生的。
脈衝星似乎是強磁場的中子星。磁場的極點與恒星的旋轉軸線不一致，所以它們與恒星一起旋轉，將電磁能量沿著像燈塔的光束那樣迅速地掃過天空的方向傳送。當地球瞬間被這種能量照射時，無線電天文學家的天線會接收到一個脈衝。而這些脈衝則以規則的間隔重複，由中子星的自旋速率控製。
1974年，在美國宇航局噴氣推進實驗室工作的喬治·S·唐斯（Gee S. Downs）提出了使用無線電脈衝星進行航天器導航的可能性。他建議位置可以通過合適的無線電天線確定在150公裏以內，並且可以進行24小時的測量。
在1981年，噴氣推進實驗室（JPL）的其他研究人員建議使用X射線脈衝星代替射頻脈衝星來達到這個目的。這樣做將允許在航天器上使用更緊湊的天線，並提供更高精度修複的可能性。
接下來的一年，這些神秘物體的新類別被認可-所謂的毫秒脈衝星。第一個被發現的重複間隔隻有1.6毫秒，表明創建它的主體每分鍾旋轉超過38，000轉。來自毫秒脈衝星的信號特別規則，與原子鍾中的振蕩器的穩定性相媲美。
然後在1993年，發現了毫秒級的X射線脈衝星。這些潛在的導航信號源提供了“穩定的時鍾”，並提供了緊湊的X射線天線而不是大型無線電天線接收信號的能力。當年提出了一項提案，以測試在ARGOS衛星上使用X射線傳感器來使用毫秒級X射線脈衝星進行空間定位的可能性，ARGOS衛星定於今年晚些時候發射。
ARGOS實驗是在1999年進行的，雖然沒有透露太多。但是，使用X射線毫秒脈衝星進行空間導航的想法仍在繼續。例如，Suneel Sheikh在馬裏蘭大學做博士生的時候研究了它。位於華盛頓附近的美國海軍研究實驗室的研究人員安裝了一個DARPA資助的項目，以進一步開發這項技術。就像所有好的太空科技一樣，這種方法也被賦予了一個大寫的綽號-XNAV——盡管在那個階段它仍然隻是一個想法。
2017年NASA推出了NICER X射線望遠鏡。有了它，Gendreau，Mitchell和NASA的其他人員希望能夠成功地演示X射線脈衝星可以用於導航。那個有自己的縮寫的實驗SEXTANT（用於X射線定時和導航技術的站探測器）被搭載在NICER的任務上，這個任務主要是科學而不是工程目標。
相關觀測發生在去年十月和十一月，當時位於國際空間站的NICER望遠鏡仔細測量了少量毫秒X射線脈衝星的信號。“我們的導航目標是10公裏，”米切爾說。“我們在不到8個小時的時間裏就能做得更好。”
如何將脈衝星測量轉換為定位是簡單的，至少在概念上是這樣的。考慮下麵的思想實驗：
想象一下，你的飛船是靜止的。（當然，從來不會如此，但是它使事情變得更容易）。通過將X射線望遠鏡指向它的方向，觀察已知的毫秒級X射線脈衝星。標記一個脈衝的時間，比如說峰值強度。
這個脈衝很久以前就從遠處的脈衝星發射出來，然後通過太空向外擴散。如果你知道確切的時間是第一次發射的時間，以及你收到的確切時間，那麽你就可以推斷它在太空中飛行了多久，乘以光速將為您提供一個距脈衝星的距離的測量。
但是，你所知道的是：你與脈衝星的距離。所以你可以在一個以脈衝星為中心的巨大球麵上的任何地方。請記住，脈衝星以固定間隔發射脈衝，當你接收到脈衝星時，你不能區分。所以，實際上，你可能會排列在一個個脈衝星周圍的大的同心球麵上。
由於脈衝星距離遙遠，所以這些球麵在你附近的曲率不會太大：對你來說，它們本質上是平麵，它們在空間上定期間隔。而且因為你不知道你首先測量了哪個脈衝，所以有許多這樣的平麵，所有這些平麵都是相互平行的，原則上可以位於這樣的一個個平麵上。
如果那是你所擁有的所有信息，那麽你就不會知道你在哪個表麵上，或者你在哪個表麵上的哪個點上。但是你現在可以把你的X射線望遠鏡瞄準天空不同部位的其他精密研究的毫秒脈衝星，每個望遠鏡都可以提供一套類似的X射線望遠鏡可能的平行表麵。
這裏的關鍵在於，隻有一個空間位置對於每個脈衝星是合理的。所以這是你必須找到的地方。 Goddard SEXTANT項目的技術負責人Luke Wiz說：“GPS也是這樣工作的。更準確的說，隻有一個解決方案是合理的。
Wiz和他的NASA同事發現了這一點，他使用了幾十個精心挑選的脈衝星的測量數據。起初，他們在現場處理了數據，很高興地發現他們可以計算一個準確的位置。後來他們能夠在NICER儀器本身上處理測量結果，以產生定位解決方案。溫特尼茨說：“我們的任務要求是要實時證明這一點。
我覺得這是一個驚人的成就。這表明，未來的航天器，即使是探索太陽係邊緣的宇宙飛船，也應該能夠自主地在幾公裏之內確定它們的位置。經過幾十年的思考，一些聰明的人終於想出了如何實際使用由自然界偶然排列在銀河係周圍的一組導航信標。
真是太不可思議了。事實上，這不可思議的讓有些人感到超出了自然的工作。甚至在NICER進行這些測量之前，由克萊門特·維達爾（ClémentVidal）領導的布魯塞爾自由大學（Uy of Brussels）的一組研究人員探索了這些X射線毫秒脈衝星是否可以有目的地排列在銀河係周圍。在名為“脈衝星定位係統：尋求外星工程證據”的預印本中，他們檢查了這種可能性。