流浪地球的星际列车 流浪地球的星际灯塔

看完《流浪地球》后

你们是否为大刘“带着地球奔向希望”的

天才想法惊艳不已？

是否为中国人拯救地球和人类文明的

勇敢行动大呼过瘾？

是否为人类前仆后继奋不顾身延续希望的

执着精神感动流泪？

给没看的同志们再安利一遍，推荐度五颗星

作为一名航天人，相比于“点燃木星”这种脑洞大开的壮举，我对电影中空间站和地球如何导航到半人马座比邻星更感兴趣。

“流浪千万条，导航第一条。航向不精确，地球两行泪”。在地球流浪太空的过程中，把握正确的航向始终是最重要的。茫茫宇宙中，现有的地面测控导航手段全部失效，什么GPS、北斗、伽利略、GLONASS全都使不上劲。那么惯性和天文导航呢？很遗憾，比邻星距我们约4.22光年，大约是26万个地球到太阳的距离，人类需要2500年时间才能到达。这个距离实在是太远了，经过2500年的累积，惯性和天文导航误差会大得惊人，流浪的地球可能会找错家。

那么，到底怎么为人类流浪太空提供精准导航呢？那就是脉冲星导航！

▍何为脉冲星？

脉冲星是一类快速旋转、辐射电磁波的中子星。脉冲星也被认为是“死亡之星”，是大质量恒星在超新星阶段爆发后的产物。

超新星爆发之后，原有的巨大星体就只剩下了一个“核”，核的密度非常大，大小一般只有“北京”市城区大小，但重量却与太阳相当，且自转速度极快，有的可以每秒转714圈。

脉冲星在旋转过程中，其磁极有规律地向外界辐射电磁波，犹如航海中的灯塔向外发光，故脉冲星被誉为宇宙中的灯塔。

▲脉冲星的产生过程

▲脉冲星在高速旋转中向外发出电磁波信号

▍我们与脉冲星的渊源

历史文献记载的最早超新星爆发，是我们老祖宗在宋朝用肉眼发现的。公元1054年，宋朝有位名叫杨惟德的司天监官员，他发现在天关星附近突然出现了一颗很亮的星，超强的闪光持续了约一年半时间。当时科技水平无法解释，所以称呼该星为“客星”，就像是忽然而来的客人。现在科学家研究发现，那就是超新星爆发，并孕育了著名蟹状星云脉冲星。

▲蟹状星云脉冲星及宋朝文献记录

▍第一颗脉冲星由谁发现

第一颗脉冲星是由24岁的乔丝琳·贝尔1967年发现的。当时，贝尔是安东尼·休伊什教授的一名女研究生，发现狐狸星座有一颗星能发出周期性的电波，非常有规律。一开始，科学家对此很困惑，甚至想到这可能是外星人在向我们发电报联系。据说，第一颗脉冲星就曾被叫做“小绿人一号”，但在接下来不到半年的时间里，又陆续发现了数个类似的脉冲信号。

后来科学家研究发现这是一类新天体，并命名为脉冲星。脉冲星被誉为20世纪60年代天文学“四大发现”之一，安东尼·休伊什教授因脉冲星的发现而荣获1974年的诺贝尔物理学奖，人们对贝尔小姐未能获奖也颇有微词。脉冲星研究迅速成为天文研究的前沿，普林斯顿大学的天文学家泰勒和赫尔斯因发现首个脉冲星双星系统而获得1993年度诺贝尔物理学奖。

▲“师父”休伊什与 “徒弟”贝尔

▲首次发现脉冲星的纸带记录

▍研究脉冲星的利器-FAST

根据统计，人类目前已经发现了2600多颗脉冲星，它们离我们都太遥远。我国历经20年建成的500米口径球面射电望远镜（简称FAST）在投入使用后也发现了一批新脉冲星，推动我国脉冲星研究水平迈入世界前列，也将推动我国脉冲星导航应用研究。

▲对，就是这口“大锅”

▲FAST与脉冲星

▲FAST发现脉冲星的新闻登上央视

▍宇宙航行的引路者——脉冲星导航

脉冲星有两个显著的特点：

1.自转极其稳定，部分可与原子钟媲美，是稳定的天然时钟；

2.辐射脉冲信号极其稳定，犹如加载电文的导航信号。

拥有这两个“优秀品质”，脉冲星自然而然成为了宇宙中的导航星，扮演星际航行的灯塔。

▲航天器在宇宙中依靠脉冲星导航航行

航天器在宇宙中航行，需要知道它什么时候在哪里，即时间和位置信息。与地面卫星导航系统类似，只要能够同时观测到四颗脉冲星，就能推算出航天器位置和时间。

▲利用脉冲星确定航天器星际位置

不管《流浪地球》中地球飞到多远，飞到宇宙中哪一个角落，只要使用脉冲星导航，我们就知道它什么时候在哪里。

脉冲星在射电、可见光、X射线等电磁波频段都有信号辐射，然而脉冲星距离地球实在是太远了，能接收到的信号非常微弱。当前，脉冲星导航主要使用X频段的辐射信息，X频段探测有利于设备小型化。此外，X射线难于穿过稠密大气层，只能在无稠密大气层外工作。

脉冲星导航的优点：

1.自主性，无需地面跟踪网支持，能够保证地球2500年星际流浪航行需求；

2.全空域，适用于从近地、深空至星际飞行的全域导航，能够保证地球冲出太阳系的星际航行；

3.安全性；导航信号为自然天体辐射，不受人为干扰，也不怕脉冲星被“外星人”摧毁（外星人摧毁脉冲星的难度可比摧毁地球大多了）；

4.高精度；即使在木星以外区域，也可实现5km左右的导航定位精度，也不会产生累计误差，这对于星际旅行来说已经足够，地球流浪也不会迷失方向。

▍创新发展我国的脉冲星导航技术

讲了这么多脉冲星及脉冲星导航，你也许会问，我国现在脉冲星导航发展怎么样，能不能带领地球流浪？

不得不说，在脉冲星导航领域，尽管我国起步落后国际先进水平近三十年，但经过我国科学家近二十年不懈努力，已经取得了很多成绩。2016年11月，我国成功发射首颗脉冲星试验卫星（XPNAV-1），在两年多的时间里已经收集了大量脉冲星观测数据，开展了许多脉冲星导航相关工作，有力推动了我国脉冲星导航事业进步，不过距离国际先进水平还有不小距离，追梦人需要撸起袖子加油干。

▲我国首颗脉冲星试验卫星发射成功

作者简介：周庆勇，北京某研究所助理研究员，主持的研究项目《X射线脉冲星导航模型及信号处理方法研究》获2018年度卫星导航定位科技进步特等奖。

▋作者：周庆勇 ▋来源：我们的太空 ▋编辑：张笑微、李 鑫 ▋邮箱：ourspace0424@163

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