[科普中國]-流浪地球時代和未來星際航行，我們靠什么導航？

【《流浪地球》中的“硬核”軍事科技】

編者按：

行星發(fā)動機、重元素核聚變、單兵機械骨骼、加特林機槍……近日，正在熱映中的國產科幻電影《流浪地球》不僅讓科幻圈為之瘋狂，也在軍迷圈掀起波瀾。即日起，《科普中國-軍事科技前沿》推出系列作品，解讀《流浪地球》中的“硬核”軍事科技，歡迎關注。

中國首部科幻大片《流浪地球》還在持續(xù)創(chuàng)造神話。因為它的精美制作，遠遠超出了大家對于中國科幻電影的預期，而成為新年期間最受歡迎的一部電影。不同于通常的新年大片，這是一部包含著眾多燒腦名詞的科幻大片，所以引發(fā)了社會的眾多討論。

這部電影是根據劉慈欣的同名小說所改編，講述了在地球面臨被太陽吞沒之時，地球上的聯(lián)合政府作出一個決定，將地球推離現有軌道，與此同時，發(fā)射一個聯(lián)合政府的空間站為地球導航，距離地球大約10萬公里?？臻g站在一定程度上就是流浪地球的開路先鋒，為地球的運動指明方向以及告訴地面在太空當中，遠離地球原來軌道的時候所處位置信息。那么一個非常讓人好奇的問題就是，作為領航的太空站是如何導航的。今天就讓我們由近及遠地介紹一下在未來進行星際旅行可能用到的導航系統(tǒng)。

首先讓我們來簡單回顧一下我們在日常生活如何導航。一提到導航，我們很自然的就會想到各種導航軟件，其實它們都是都是利用導航衛(wèi)星來確定方位的。它的簡單工作原理如下：在地面之上大約2萬公里的地方，有幾十個處于不同軌道的導航衛(wèi)星，每時每刻，這些衛(wèi)星都會發(fā)送其特有的信號，我們手機中的導航衛(wèi)星信號接收器如果能夠同時接收到4個不同導航衛(wèi)星的信號的話，根據接收到的信號時間差別，之后通過求解方程就可以算出目前接收器所在的空間位置信息。

我們可以看到，衛(wèi)星處于地面之上2萬公里的高空上，所以只要是軌道低于衛(wèi)星軌道的話，都可以通過接收導航衛(wèi)星的信號來導航。所以對于目前在地球上空運行的國際空間站，飛行于地面之上大約500公里的地方，所以它的導航也是可以使用導航衛(wèi)星。就導航衛(wèi)星而言，最早的有美國摩托羅拉公司發(fā)射的24顆銥星。而后來，為了突破美國的限制，其它好多國家都發(fā)射了自己的導航衛(wèi)星，歐洲有伽利略導航系統(tǒng)，中國有自己的北斗導航系統(tǒng)。

然而，如果人類以后有機會跨入深空的話，我們就需要找到全新的導航系統(tǒng)。通過上面導航原理，我們可以看到空間導航的核心是：在每一時刻，我們需要知道至少四個能夠讓我們知道位置的參考源。所以根據天文學家的眾多觀測，選用不同的穩(wěn)定天體源，而提出了幾種不同的導航系統(tǒng)。

一種就是最近幾年談的比較多的脈沖星導航。脈沖星就是我們極為熟悉的中子星，因為磁極方向能夠產生射電或者X射線輻射，當轉動軸和磁極不重合，而轉動軸掃過地球的時候，就會產生我們所看到的脈沖，因此被稱之為脈沖星。而對于某一寫脈沖星轉動速度特別快，轉動周期可以達到毫秒量級，所以也被稱之為毫秒脈沖星。這些脈沖星的轉動穩(wěn)定性非常好，可以比擬于地球上最好的原子鐘，所以也時常被稱為宇宙間的原子鐘。到目前為止我們已經找到了幾十個類似的脈沖星，如果我們可以接收到它們的信號，并且已知它們位置的話，我們應該可以利用上面導航衛(wèi)星的方式利用這些脈沖星進行我們的星際航行。

而就在最近，美國NASA的一些工程師就利用國際空間站上的一個名叫NICER的天文設備對此想法進行了驗證。NICER的英文全稱是Neutron-star Interior Composition Explorer，中文意思是中子星內部組成探測器，這是安裝在空間站上隨空間站一起運動的探測設備，它的探測波段為X射線。這些來自于NASA的工程師就利用這個設備在2017年老兵節(jié)的時候對四個已知不同方位上的毫秒脈沖星進行了監(jiān)測，通過上面類似的方式來計算空間站的位置，結果發(fā)現，相比較導航衛(wèi)星的厘米誤差，這次實驗所得到的誤差達到了將近16公里。盡管如此，這次實驗驗證了脈沖星導航的可行性。精度的提高還希望通過脈沖星觀測精度和算法軟件的多方面提高。

我們還有一種很好的方法，就是利用恒星導航。在2013發(fā)射的歐洲蓋亞衛(wèi)星(GAIA)就計劃對銀河系內的10顆恒星的位置、恒星特征、距離以及運動速度進行精確測量。目前已經得到了第一批的結果，等到最終它的目標實現之后，我們也就有了一個很好的銀河系內的星圖，所以也可以利用它們進行導航。

或許對于接下來的銀河系內的旅行，脈沖星和恒星導航已經是綽綽有余，然而天文學家們其實想的更遠，如果我們有機會邁出銀河系，進入更遠宇宙的時候我們應該怎么辦呢？而且銀河系內的脈沖星也還有一定的問題，因為它們也是處于運動當中，位置并非不變，所以如果星際旅行的時間很長的話，我們是否有更好的位置參考系統(tǒng)了。所以有些天文學家就提出，我們或許可以以那些遙遠的某些星系作為參考，這些被選出來的天體就是天文學中常說的活動星系核。這些天體是星系中心的超大質量黑洞所產生的噴流，因為輻射非常明亮，往往比星系本身的輻射還要強很多。因為中心體積非常小，所以從遙遠的地方去看，就像一個小點很難分辨，以至于在這類天體發(fā)現的最早期，最明亮的那一類被稱之為叫做類星體。盡管這類星系也在空間運動，然而因為這些天體至少距離我們幾十億光年之外，所以幾乎看起來不動的，相比較上面提到的脈沖星位置上要穩(wěn)定很多。法國的天文學家Charlot和他的團隊在90年代末的時候選取了一些最致密和最穩(wěn)定的活動星系核，建立了一個被稱之為國際天球參照系統(tǒng)（International Celestial Reference Frame），經過差不多20年的發(fā)展和不斷更新，這個系統(tǒng)當中從最早的包含了212個源，到現在遍布整個天空的300多個。所以這個系統(tǒng)或許也能夠成為我們以后進行宇宙旅行所使用的導航系統(tǒng)。

劉慈欣在克拉克想象力社會貢獻獎頒發(fā)的時候說過，我本來想要的是星辰大海，你卻給我的是facebook。無論是地球附近的太空旅行，還是我們所期望的星際旅行，都需要我們全球人類的共同努力和推動，只有這樣，當人類在面臨流浪地球危險的時候，我們才真正的能夠坦然相對。流浪地球的熱潮即將過去，期望更多的中國人能夠在這部電影的引領之下，能夠多一些仰望星空的情懷，關注一些我們的未來。千里之行始于足下，也更希望對我們國家的科學發(fā)展關注，這才是整個國家發(fā)展和騰飛的真正動力。

出品：科普中國軍視科技前沿

作者：茍利軍（中科院國家天文臺研究員）

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