擔(dān)心星際迷路？一個(gè)新方法幫你找到回家的路，真的很好

新型恒星際導(dǎo)航系統(tǒng)

藝術(shù)家描繪的駛向星際空間的航海家探測(cè)器（供圖：NASA/噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室）

宇宙浩瀚無(wú)邊。人類若想探索銀河系深處，一套精確可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)必不可少。有人提出一個(gè)新的構(gòu)想，以盡可能簡(jiǎn)單易行的技術(shù)實(shí)現(xiàn)星際導(dǎo)航，即利用成對(duì)的恒星建立一套星系級(jí)的參照系統(tǒng)。

太陽(yáng)系內(nèi)的行星際航行依靠的是以地球?yàn)榛c(diǎn)的導(dǎo)航系統(tǒng)。地面發(fā)送電波給飛船，飛船接收并發(fā)送回波，然后通過(guò)兩個(gè)信號(hào)間的延遲時(shí)間計(jì)算出飛船與地球的距離；同時(shí)我們對(duì)飛船的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以得到它在空中的位置，結(jié)合這兩方面的信息（飛船在空中的位置以及它與地球的距離）我們就得到了飛船在太陽(yáng)系的精確定位，并把這個(gè)數(shù)據(jù)傳到飛船上。

估算飛船的航行速度則要靠電波的多普勒效應(yīng)。地球上散布著信號(hào)接收器，飛船發(fā)出的回波到達(dá)這些接收器的時(shí)間也不同。測(cè)量不同接收器的數(shù)據(jù)并結(jié)合飛船的位置參數(shù)，我們將得到一組完整的六個(gè)維度的數(shù)據(jù)，包括飛船的三維坐標(biāo)和三維速度。

這個(gè)方法能夠奏效，全賴地球上不斷收發(fā)信號(hào)的雷達(dá)網(wǎng)。但它只能為太陽(yáng)系內(nèi)的飛船提供導(dǎo)航，以及勉強(qiáng)應(yīng)付已飛出太陽(yáng)系的航海家雙子探測(cè)器。

恒星際航行的飛船則需要新的自主導(dǎo)航系統(tǒng)。理論上來(lái)講，飛船自帶的時(shí)鐘脈沖和陀螺儀可以做到這一點(diǎn)。但對(duì)于動(dòng)輒耗時(shí)數(shù)十年的恒星際航行而言，一個(gè)微小的計(jì)算失誤，或一次沒有十足把握的決定，都將會(huì)導(dǎo)致飛船偏離航線。

另一個(gè)選擇是利用脈沖星來(lái)定位。脈沖星不停的旋轉(zhuǎn)使它呈現(xiàn)有節(jié)律的閃爍或脈動(dòng)。由于每顆脈沖星的自轉(zhuǎn)周期各不相同，它們就像深空中的燈塔，為飛船指引方向。很可惜，這個(gè)方法只適用于太陽(yáng)系外圍一個(gè)很小的區(qū)域，因?yàn)樾请H塵埃會(huì)干擾我們測(cè)量脈沖星的自轉(zhuǎn)周期。而一旦測(cè)量失誤搞混了這些星星，我們將迷失在渺渺繁星之中。

小飛俠定位法：右邊第二顆星星

如上所述，我們需要一個(gè)精準(zhǔn)可靠又簡(jiǎn)單易行的辦法來(lái)幫助星際飛船確定它們的位置。發(fā)表的一篇預(yù)印本文章，提出了這樣一個(gè)方案：直接參照恒星導(dǎo)航。

該技術(shù)基于古老的視差原理。豎起一根手指放在鼻子的前方，輪流閉上一只眼，用另一只眼去看你的手指，你會(huì)看到它似乎在來(lái)回?fù)u擺。這就是觀察點(diǎn)改變引起的視差。如果用同樣的方式去觀察遠(yuǎn)處的物體，你會(huì)發(fā)現(xiàn)搖擺的幅度要小得多。

正是基于視差原理，科學(xué)家得以測(cè)量各個(gè)恒星到地球的距離。同理，漂泊在外的飛船也可以利用這個(gè)原理進(jìn)行定位。在飛船發(fā)射前，我們可以預(yù)先載入所有鄰近星系里已知恒星的位置信息。隨著飛船高速駛離太陽(yáng)系，系統(tǒng)逐對(duì)計(jì)算恒星的相對(duì)位置。這時(shí)距飛船較近的恒星似乎發(fā)生了較大的位置偏移，而更遠(yuǎn)處的恒星位置則相對(duì)固定。

將實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)與地球上測(cè)量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，飛船就能識(shí)別出這些恒星，并計(jì)算出飛船與每一顆星星的距離，從而得到精確的三維坐標(biāo)。

確定航速：相對(duì)論效應(yīng)

計(jì)算飛船的航速要稍微復(fù)雜一點(diǎn)，計(jì)算的基礎(chǔ)是狹義相對(duì)論提到的一個(gè)奇怪的扭曲效應(yīng)。當(dāng)你以足夠快的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于光速恒定不變，你看到的物體其實(shí)并不在它們實(shí)際的位置上。更確切地說(shuō)，它們看上去的位置沿著你運(yùn)動(dòng)的方向向前偏移了。這就是像差效應(yīng)，我們?cè)诘厍蛏暇湍苡^察到。地球圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，地球上的我們會(huì)觀察到星星的位置在輕微地來(lái)回?cái)[動(dòng)。

飛船必須高速航行，否則星際旅行就得耗時(shí)數(shù)千年，而非數(shù)十年了。而只要航速足夠快，飛船就能測(cè)量到像差效應(yīng)，并知道哪顆星星并非處于理論上它應(yīng)該在的位置上，以及它的位置偏移了多少，并由此推算出飛船的三維速度。

運(yùn)用視差測(cè)量法，飛船得到實(shí)時(shí)的六維坐標(biāo)，告訴它此刻身在何處，正要去往何方。問(wèn)題是通過(guò)這個(gè)方法得到的坐標(biāo)有多精確呢？據(jù)該文章所述，假設(shè)飛船能測(cè)量的恒星數(shù)為20顆，測(cè)量精度為1角秒（度量單位，1角秒=1/60角分，1角分=1/60度），那么坐標(biāo)的誤差范圍就在3個(gè)天文單位以內(nèi)，速度的誤差范圍則小于2公里/秒（即1.2英里/秒）。

一個(gè)天文單位就是太陽(yáng)到地球的平均距離，即9,300萬(wàn)英里（1.5億公里），所以3個(gè)天文單位的誤差約等于2.79億英里（4.5億公里）。聽起來(lái)似乎相差甚遠(yuǎn)，但是比起數(shù)千個(gè)天文單位的恒星間距離來(lái)看，這樣的誤差基本可以忽略不計(jì)。

更何況我們能夠精確定位的恒星可遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止20顆，我們載入飛船系統(tǒng)的可是數(shù)以億計(jì)的恒星數(shù)據(jù)呢，如此看來(lái)飛船的定位可以達(dá)到相當(dāng)?shù)木取?/p>

剩下來(lái)的事情就是造一艘可以遨游于恒星間的飛船了。

BY:Paul Sutter

FY: Renee

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