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如何太空旅行不迷航

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online_member 发表于 2019-9-6 21:38:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
我是谁?我在哪?我要去哪?这样的问题在未来的星际时代并非哲学沉思,而是非常现实的问题:那就是如何定位自己在宇宙中的位置和速度,如何知道目的地的位置,并且准确规划航线。
而这些看似很科幻的问题,其实早就已经有了很多解决的技术。


如何太空旅行不迷航562 / 作者:蜡烛2017 / 帖子ID:53454

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-文字稿-



当人类进入星际时代,一定会面临一个严重的问题,那就是如何在茫茫宇宙中定位、导航。

鉴于某些知名科幻作品中的导航方法过于玄学,比如《沙丘》中吃香料进化出的星际导航员,或者黄金马桶上指引人类的亚空间灯塔等等,人们需要考虑一些更加科学的手段。

方法一,使用加速度计和陀螺仪,也就是惯性导航系统。通过测量每一刻的加速度、角速度,就可以利用积分计算出飞行器的速度、位移。只要保留完整的航行记录,就可以像忒修斯的线团一样,指引飞船的方向。不过惯性导航的缺点也很明显:时间越长,误差越大,所以只适合较短的航程和辅助定位。


如何太空旅行不迷航863 / 作者:蜡烛2017 / 帖子ID:53454




方法二,利用已知天体的相对位置来定位。这种古老而有效的方法(celestial navigation),在太空中会稍微麻烦一点。除了测量自己与两个天体之间的角度,还要需要知道它们的距离,这样才能把自己定位到一个圆形区域;显然,只要多获取几组这样的数据,就可以唯一确定在宇宙中的位置。


如何太空旅行不迷航963 / 作者:蜡烛2017 / 帖子ID:53454

这个定位系统的关键,在于如何测量恒星距离。

早在1838年,德国天文学家弗里德里希·贝塞尔(Friedrich Bessel)就通过周年视差,测出天鹅座61距离地球大约10.4光年。但是当距离超过100个秒差距的时候,三角视差法就不好用了。这时候就需要用到分光视差法,或者主星序重叠法等等技术。


如何太空旅行不迷航987 / 作者:蜡烛2017 / 帖子ID:53454

分光学因而在天体物理中极为重要,不论测定距离、还是天体的元素构成、判断恒星演化的阶段,都离不开它。

不过,可见光只是整个电磁波谱 透过地球的光学窗口后残留下的一小段。对于星际航行,还需要高能射线和射电频段的补丁。


如何太空旅行不迷航727 / 作者:蜡烛2017 / 帖子ID:53454

早在1895年伦琴就在研究阴极射线时发现了X射线,1914年维拉尔又发现了γ射线。劳厄等人则证实这两种高能射线其实也是电磁波。

它们更特殊,在宇宙中,X射线源可能是黑洞或者中子星这类致密天体,γ射线长暴则可能与超新星爆发有关,总之都是需要躲开的死亡陷阱。



另外一方面,X射线、紫外线和射电频段,在气体和尘埃中,都比可见光具有更好的穿透性,因而是更好的导航信号。
如何太空旅行不迷航216 / 作者:蜡烛2017 / 帖子ID:53454

1931年,贝尔实验室的卡尔·央斯基(Karl Guthe Jansky) 就在银河系中心发现了射电信号,这也开启了射电望远镜的时代。



方法三,就是通过固定的射电信号源导航。深空网络(Deep Space Network)的导航系统就是一个真实存在的范例。


如何太空旅行不迷航482 / 作者:蜡烛2017 / 帖子ID:53454

通过几个巨大的射电天线向飞船和卫星发送电波,根据射电信号的多普勒效应,以及最重要的,原子钟级别的精确计时系统,再经过一系列复杂的算法对反馈信号进行处理,就可以实现对宇宙飞船或卫星的定位、测速和导航。

这其实和全球定位系统(GPS)的原理差不多。其缺陷在于,射电信号会受到大气和磁场的影响。解决的办法大概就是在深空中建立更多的中继卫星和外星信号站。

不过还有一个更加省钱、覆盖全银河系的方法,那就是利用天然存在的脉冲星。
如何太空旅行不迷航526 / 作者:蜡烛2017 / 帖子ID:53454

说到脉冲星,其发现的过程又是一个天体物理学中典型的,先有理论模型然后按图索骥的例子。

在二十世纪初,原子物理突飞猛进地爆发:1896年贝克勒尔发现天然放射性和β射线,1897年汤姆森发现电子,打破原子不可分的理念,1918年卢瑟福通过α粒子轰击氮气发现质子。所有这些成就,促使爱丁顿在1920年提出太阳内部 通过氢核聚变产生光与热的猜想。1928年,伽莫夫发现的量子隧穿效应又进一步完善了这个猜想。
如何太空旅行不迷航308 / 作者:蜡烛2017 / 帖子ID:53454




之后在1932年查德威克发现中子,巴德和兹威基又据此在1934年提出:恒星演化末期会发生超新星爆发,其残存的星核是一种叫做中子星的奇特星体。所以按照他的推理,超新星遗迹中应该存在中子星。然而中子星一直没有被人们观测到。



直到1967年,天文学家休伊什建造了一个巨大的长波接收天线阵,由2048个偶极天线组成的行星际闪烁阵列。他的研究生约瑟琳·贝尔从长达30米的记录纸带中,发现了一个规则的周期性射电脉冲信号,其周期只有1.337秒,脉冲持续时间16毫秒。又发现了三个类似信号后,休伊什将信号源命名为脉冲星。


如何太空旅行不迷航550 / 作者:蜡烛2017 / 帖子ID:53454




1968年,戈尔德提出脉冲星就是巴德和兹威基所预言的中子星。高速旋转的中子星,使其强磁场中高速运动的质子和电子,产生同步加速辐射;又因为磁极和自转轴的不一致,就产生了转动的射电波束。如果恰巧有射电波束扫过地球,人们就探测到了脉冲信号。


如何太空旅行不迷航443 / 作者:蜡烛2017 / 帖子ID:53454

这就是脉冲星的灯塔模型。
如何太空旅行不迷航739 / 作者:蜡烛2017 / 帖子ID:53454

中子星和超新星遗迹的关系,也在巨蟹座星云中得到了证实。

所以方法四:就是脉冲星导航系统。以脉冲星稳定发射的周期性脉冲来计时,可以把时间误差缩小到微秒甚至纳秒级,其精度已经与铯原子钟相当。因而只要观测多个脉冲星,形成脉冲星计时阵,就是一个天然的深空网络,或者银河定位系统(GPS)。

脉冲星的发现激起了天文学界几十年如一日的热情,纷纷开展大规模巡天计划:对着天空盲搜信号,等待线索出现。

这还带来一个意外的发现:快速射电暴。这些高能的毫秒闪光,据推测,其信号源非常之巨大,可能来自于银河系外。说不定在未来的某天,它们会成为人类跨星系旅行的灯塔。
如何太空旅行不迷航708 / 作者:蜡烛2017 / 帖子ID:53454




现在世界各地的射电望远镜都在寻找宇宙灯塔,想不想参与探索并更深入了解更多?这里为你提供一个硬核科学游戏——灯塔计划。


如何太空旅行不迷航182 / 作者:蜡烛2017 / 帖子ID:53454




它由美国宾州州立大学物理学博士带领团队开发,并与北京大学、中国天文台、英国格拉斯哥大学深度合作,目标就是通过物理学历史接触真正的宇宙灯塔。



在游戏中,玩家还可以接触到由北京大学科维理天文中心,在新疆与云南射电望远镜观测到的快速射电暴真实数据。(当我国的FAST通过验收后,其脉冲星观测数据也会加入其中。)


如何太空旅行不迷航845 / 作者:蜡烛2017 / 帖子ID:53454

玩家如果能协助辨别射电暴信号,还有机会获得北大科维理天文中心教授颁发的发现证书。


如何太空旅行不迷航77 / 作者:蜡烛2017 / 帖子ID:53454

游戏采用极简低多边美术风格,以一种严谨而不失趣味的方式,让我们重温了天文和物理的联姻过程:与伦琴一起享受X射线的贯穿,与卢瑟福一起发射质子电球轰炸,与爱丁顿一起体会太阳核聚变,一路冲破关卡,探索宇宙灯塔的奥秘。


游戏下载链接:http://www.bayesiandt.com/tourl.html

参考资料:

Eddington, Arthur S., and Arthur Stanley Eddington. The internal constitution of the stars. Cambridge University Press, 1988.

Gold, Thomas. "Rotating neutron stars and the nature of pulsars." Nature 221.5175 (1969): 25.

Hewish, Antony, et al. "Observation of a rapidly pulsating radio source." Nature 217.5130 (1968): 709.

Hewish, Antony. "Pulsars and high density physics." Science 188.4193 (1975): 1079-1083.

Longair, Malcolm. "The discovery of pulsars and the aftermath." Proceedings of the American Philosophical Society 155.2 (2011): 147.

Sheikh, Suneel I., et al. "Spacecraft navigation using X-ray pulsars." Journal of Guidance, Control, and Dynamics 29.1 (2006): 49-63.

素材来源:

Jf268@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Acelerometro_1.JPG

Nockson@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ring_laser_gyroscope_at_MAKS-2011_airshow.jpg

SanjayAcharya@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Project_SPIRE_Inertial_Navigation_Control.jpg

SebMadgwickResearch@https://www.youtube.com/watch?v=6ijArKE8vKU

National Air and Space Museum, Smithsonian Institution@https://timeandnavigation.si.edu/multimedia-asset/inertial-navigation

NASA@https://www.youtube.com/watch?v=aUsrIpPTZ8o

https://www.youtube.com/watch?v=aUsrIpPTZ8o

IndividusObservantis@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:61_Cygni_Proper_Motion.gif

https://courses.lumenlearning.com/suny-astronomy/chapter/surveying-the-stars/

D-Kuru@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Light_dispersion_of_a_mercury-vapor_lamp_with_a_flint_glass_prism_IPNr%C2%B00125.jpg

NASA, ESA and Z. Levy (STScI)@https://www.spacetelescope.org/images/heic1802f

Richard Powell@https://wiki.kfd.me/wiki/File:HRDiagram.png

Philip Ronan, Gringer@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EM_spectrumrevised.png

NASA@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atmospheric_electromagnetic_opacity.svg

NASA@https://www.nasa.gov/centers/glenn/multimedia/artgallery/wormhole.html

Sudraben@https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lung_X-ray.jpg

NASA's Goddard Space Flight Center@https://svs.gsfc.nasa.gov/12265




原文地址:今日头条
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