人类如果要星际旅行,目前哪些问题还没有解决?应该怎么样解决?

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

这就是脉冲星的灯塔模型。

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。


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