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如果能够星际航行我们靠什么在宇宙中导航

2019-01-03 22:16 来源:未知

  你在太空中呼啸而过,而你在前往遥远星球的路上走错了路。从你坐在船上掌舵的位置来看,你重返航向的机会似乎微乎其微。拥有地球轨道卫星网络的全球定位系统,在离家这么远的地方是没有用的。即使是北极星也只能告诉你所指的方向,而不是你所在的地方。你需要的是某种形式的天体卫星导航,它可以帮助你在恒星中找到自己的位置。

  幸运的是,我们现在已经有了一个可以胜任这项工作的定向系统,但是构建它并不是一件容易的事情。为了描绘我们在宇宙中的位置,天文学家观察了数十亿光年之外的宇宙中一些最不寻常的物体:类星体。在遥远的星系中,这些围绕黑洞的强光灯塔正被用来固定太阳系的物理位置。它们不仅有助于引导我们到遥远的世界旅行,还将帮助我们更多地了解我们自己的世界。

  地球有它自己熟悉的坐标系统,一个全球经纬度网格,可以确定地球表面上任何东西相对于格林威治子午线和赤道的位置。通过使用距地球核心的距离作为第三坐标,我们可以离开地面来精确定位飞机、云层和卫星。

  将其进一步扩展到太空是可能的,但存在一个问题。因为坐标系和地球一起旋转,每一颗行星和恒星在一天的过程中都会迅速地改变它的纬度和经度。如果计算出它们在这个坐标系中的移动速度,这些数字很快就会变得很不可思议。即使是离太阳系最近的恒星,比邻星,似乎也在以光速数千倍的速度飞行,这一虚假的速度掩盖了它可能具有的任何真实运动。

  很明显,我们需要一个静止的坐标系。直到20世纪末,天文学家都把他们的参照系挂在恒星上。随着我们对恒星位置测量的改进,我们编制了一系列星表,把它们的位置作为参考点。从地球上往外看,观测者可以测量彗星和参考星之间的夹角,从而给出彗星的天体坐标。FK5星表(fifth fundamental catalogue),使用了1500多颗恒星来标记天空。但即使是这样也有不足之处。恒星不是固定的,它们是变化无常的。它们在天空中移动,虽然很慢。虽然这个运动可以允许,但它仍然会导致不精确,角度不确定性为几百万分之一度。虽然这不是灾难性的,但进行彻底改革的时机已经成熟。

  因此,在20世纪90年代,天文学家迈出了一大步。他们不再依赖于几百光年外的恒星,而是决定将目光投向数十亿光年以外的地方。远处的物体在天空中的位置不会很快改变,这使得它们成为理想的参考点。但是要从很远的地方看清楚,它们必须是明亮的,我们所知道的最亮的信标是类星体:超大质量黑洞吸收物质并发射出辐射的地方。使用这种重型标记的另一个好处是,它们不容易被推来推去。由于质量是太阳的几十亿倍,超大质量的黑洞往往停留在星系的中心。

  当类星体在可见光中闪烁时,从它们发射的无线电波中可以更准确地确定它们的位置。这要归功于一种名为甚长基线干涉测量(VLBI)的技术,在这种技术中,全球各地的射电望远镜都聚焦于一个源。它们都能看到相同的无线电信号,但延迟时间取决于信号源的角度。法国波尔多大学(University of Bordeaux)的帕特里克·夏洛特(Patrick Charlot)表示:“我们可以将时间延迟测量到大约10皮秒。”这可以给出类星体的角位置,其精度令人叹为观止。

  1998年,夏洛特和他的团队发布了新的参考网格,即国际天体参考系(ICRF-1)。它在2009年经历了一次大修(ICRF-2),今年又进行了升级。新整修的ICRF-3由303个类星体固定,高于1998年的212个,是从现有最紧凑和稳定的源中选择的。此外,它还包括了比以前更高频率的观测,这有助于对每个源进行瞄准。其结果是,准星的角位置平均精确到约30微弧秒,或80亿分之一度。这相当于在经过的飞机的机翼上辨认出单个的细菌。“这个框架现在是天文学中每一个位置测量的基础。”夏洛特说。

  为了尽可能方便当地使用,ICRF-3坐标系的中心设置在太阳系的质量中心,即行星和卫星-甚至太阳-轨道的中心点。该系统的南北轴被选定与地球的极轴平行,具体地说,就是2000年1月1日极轴所指向的方向。

  除了303个定义最新系统的类星体外,ICRF-3还包括大约4000个分布在天空中的其他类星体,这些类星体可以作为向所有方向导航的参考点。除了帮助天文学家在天空四处寻找路线之外,它们还可以引导太阳系周围的空间探测器。星际任务需要非常精确的路线查找。夏洛特说:“当你导航到土星时,你可以用动力学定律来计算轨道,但没有什么是完美的:你必须实施修正。”

  工程师们通过观察他们的航天器相对于一个方便的类星体的角度位置来探测到任何偏离计划路线的微小偏差。ICRF-3包括比以前版本更高频率的无线电观测,这使其在定位某些类型的空间飞行时更加有用。它可以与穿透太阳风电离气体的高频深空导航信号进行比较。加州喷气推进实验室的克里斯托弗·雅各布斯(Christopher Jacobs)说:“对于靠近太阳的飞行任务来说,这是件大事。”

  也许更令人惊讶的是,ICRF框架也在地球上发挥作用。奥地利维也纳技术大学的约翰尼斯·伯姆说:“我们可以用它非常精确地测量地球在空间中的方位。地球不会在24小时内均匀旋转,有时会快一点,有时会慢一点。”通过测量地球相对于ICRF的转动速度,跟踪这些旋转速度的变化,可以让我们知道什么时候必须将闰秒插入世界标准时,以保持我们的时钟与地球同步。

  精确测量地球自转的变化也可以告诉我们强大的行星力量在起作用。大气层在行星表面推拉,在数小时和数年内改变其旋转速度。因此,基于ICRF的测量可以用来验证天气模型,伯姆说,尤其是喷射流的行为,即地球大气中的高空风。

  自转速度的不稳定可能与地球翻腾的液体外核有关,这一现象在地幔上的拖曳方式是无法预测的。地球物理学家甚至认为,地球自转的减缓可能预示着世界各地地震的增加。

  地球自转的变化也会影响GPS和其他卫星导航系统。这些系统是以原子钟为基础的,原子钟调节卫星发出的时间信号。由于原子时间与变幻莫测的天气无关,而地球的自转则不然,GPS可能会与地球上真正的经线稍有出入。伯姆说:“几天后,误差将达到几厘米的水平。”这种精度对于你的普通驾驶员或徒步旅行者来说并不重要,但对于勘测员和地球科学家来说是有影响的,所以卫星导航系统会不时地用VLBI测量结果重新校准,以检查地球在天体参考架中的真实方位。

  ICRF也在帮助我们测量构造板块的缓慢运动。在不同大陆上的两个望远镜接收类星体信号之间的时间延迟将随着它们一起漂移或分开而变化。望远镜的位置还被用来三角定位地球观测卫星的确切高度,这是测量海平面(气候变化和局部水灾风险的一种尺度)所需要的。

  虽然ICRF-2在进行所有这些测量方面做得很好,但改用ICRF-3将改进其中许多措施。

  当然,更精确总是可取的。下一个大的参考系变化将是回到可见光。夏洛特说:“到目前为止,VLBI是我们唯一能够如此精确地测量河外来源的技术。”但是在四月份,盖亚计划公布了一份相同的遥远光源的光学波长目录,让天文学家可以比较两种不同的测量方法。这可能会告诉他们,无线电波是来自黑洞附近的一个源,还是来自一些外围事件,比如从类星体核心抛出的一团等离子体,这将是一个不太可靠的参考点。

  反过来,这可以用来进一步细化ICRF。当然,并不是说新的参照系是不稳定的。多亏了那些303个超级明亮的北极星继承者,我们在宇宙中的位置得到了保证。

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