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NASA测试证明脉冲星可以作为天体GPS

国家港口,马里兰州

从国际空间站的栖息地,美国国家航空和宇宙航行局的一项实验表明,未来的任务可能如何通过太空进入太空。航天器可以通过一种天体全球定位系统(GPS),利用来自遥远恒星的发条式信号对其位置进行三角测量。

去年11月,中子星内部组成探测器(NICER)花了一天半的时间观察一些脉冲星 - 快速旋转的恒星残余物,旋转时会发出强大辐射光束。通过测量脉冲到达时间的微小变化,NICER可以将其位置定位在5公里以内。

这是长期以来被称为脉冲星导航的技术的首次示范。有一天,这种方法可以帮助航天器在没有来自地球的定期指示的情况下转向自己。

“我们认为这是一件大事,”马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家基斯根德罗和该任务的首席研究员说。 “将我们的一些天体物理学应用于探索目标,包括进入太阳系外层和其他方面,这是一种很好的方式。”

Gendreau在1月11日在马里兰州国家港的美国天文学会会议上报告了这一发现。

英国莱斯特大学空间研究中心的经理John Pye说,NICER的工作是在实际飞行条件下对脉冲星导航的有用测试。

恒星信标

脉冲星是旋转的,超密集的爆炸恒星残骸。一些人每千分之几秒发射一次辐射。几十年来,航空航天工程师们一直梦想着使用这些持续不断的重复信号进行导航,就像他们使用卫星定时滴答原子钟来进行GPS一样。

在1999年至2000年期间,美国海军研究实验室进行了一次卫星实验,表明理论上,航天器可以使用脉冲星来定位自己。欧洲航天局近年来探索了这一概念,研究人员计算出,即使飞行距离地球30倍,地球距离太阳1时,航天器也可以使用脉冲星来确定自身的误差2公里。

2016年11月,中国发射了称为XPNAV-1的实验性脉冲星导航卫星。它研究了在金牛座星座2000英里(6500光年)的螃蟹脉冲星,作为它是否能够锁定X射线信号的早期测试2。

NICER于2017年6月安装在空间站上。其主要工作是测量脉冲星的大小,以更好地了解构成它的超密集物质。脉冲星导航实验被称为X射线定时和导航技术的探测器(SEXTANT),是一项奖励。

SEXTANT定时X射线闪光来自五脉冲星,其中一个是最接近和最明亮的已知毫秒脉冲星。特派团观察了每个信标大约5-15分钟,然后自主旋转以观察下一个信标。通过测量信号到达时间的微小变化作为实验轨道地球,NICER可以独立计算自己在太空中的位置。

自由漫游

如果没有脉冲星导航,航天器必须定期与地球通信以确认其位置。但是,这种通信 - 通过美国宇航局的深空网络这样的系统 - 一组巨大的卫星天线 - 耗费时间,成本高昂,而探测器离地球越远,这种通信就越困难。脉冲星导航可能适用于太阳系外太空系统的航天器,因为它可以在不等待指令的情况下释放探头执行许多与导航有关的任务,Gendreau。

NICUD团队的Goddard天体物理学家Zaven Arzoumanian说,该技术还可以独立检查航天器传统导航系统的运行情况。美国宇航局帮助资助测试,看看当计划中的Orion乘员舱在20世纪20年代的某段时间将宇航员带到低地球轨道之外时,脉冲星是否可以用作备用导航方法。

NICER使用52台小型X射线望远镜进行研究,但是一台这样的望远镜可能可以完成这项工作,Gendreau说。该仪器的重量可能只有5公斤,因此增加太空任务的成本相对较低,因为太空任务需要更多的资金才能发射。

该小组计划在未来几个月内重复实验,希望将误差幅度降至1公里或更小。

Gendreau指出,美国宇航局的旅行者航天器上着名的“金色纪录”载有一张地图,指明太阳系相对于14颗脉冲星的位置。如果外星文明曾经发现过这个记录,它可以用它来定位地球。 “小时候,我听说卡尔萨根谈论这个黄金纪录,”根德罗说。 “现在我们正在做它。”

Nature 553,261-262(2018)