未来可期的脉冲星计时与导航

脉冲星是1967被发现的一种天体，这一发现被授予了诺贝尔物理学奖。在它被发现后的五十多年里，人们又找到了大约3000颗这种令人着迷的天体。它们拥有极端的物理特性，具有极高的天文学研究价值，且与不同学科会在许多前沿领域有所交叉，再加之关于它的各种谜团所带来的魅力，这使得尽管已经过去了半个多世纪，脉冲星仍是天文学的重点研究对象之一。

图1. 辐射由两极发出的脉冲星概念图（图源：NASA/JPL-Caltech）

脉冲星因其周期性的脉冲辐射而得名，这种周期性来源于脉冲星本身的周期性转动。每转动一周，望远镜就能够接收到一次脉冲信号。目前已发现的脉冲星中，转动周期最短的约为1.4毫秒，最长的也不过20多秒。

脉冲星，每时每刻都在释放着巨大的能量。曾有人幻想，将来可以利用它的辐射来解决人类的能源问题。但是，它们距离地球实在是太遥远了，可望而不可及。目前，我们只能在艺术作品中发挥想象，借助它的能量为漫威电影中的雷神托尔打造一柄暴风战斧。

图2. 帕罗玛山天文台（Palomar Observatory）海尔（Hale）望远镜拍摄的巨蟹座脉冲星，它无时无刻不在释放巨大的能量，照亮它周边的星云（图源：NASA/JPL-Caltech）

不过我们目前对脉冲星的研究，也并不完全是画饼充饥！即使是这样遥远的距离，也不妨碍我们利用脉冲星的特性为生活谋取一些便利。

脉冲星无时无刻不在快速转动着，大家经常把它比作陀螺。然而区别在于，在地面转动的陀螺会越转越慢直至停止，而在天空之上转动的脉冲星却永不停歇。虽然，脉冲星的转动也会越来越慢，但是它们变慢的速度非常之小，每隔一年它们的转动速度只降低大约亿分之一，变化最小的甚至可以达到每年只降低万亿分之一。

最妙的是，脉冲星转速的变化本身，也是非常稳定的！这使得我们可以预测脉冲星未来的转动速度。目前，周期测量最精确的脉冲星是毫秒脉冲星J0437-4715，其周期精度可达17阿秒（1阿秒等于十的负十八次方秒）。在精确预测了脉冲星周期后，我们可以预估每一个脉冲到达地球的精确时间。继而，科学家们马上想到，我们完全可以把脉冲星的这一效应应用在时间计量与导航系统中。

图3. 通用原子能电磁系统公司（General Atomics Electromagnetic Systems）轨道试验床卫星（Orbital Test Bed spacecraft）中的深空原子钟（图源：NASA）

过去，日常计时用的机械手表和石英钟，在一段时间之后就会变慢或是变快，总是不能精确地计量时间，这很令人苦恼。现在，我们可以凭借网络信号实时地确定时间，实际上这一时间是由国际权度局分析处理来源于全世界约50个时间实验室的200多台原子钟数据而得到的。

在现行国际单位制下，1967年召开的第13届国际度量衡大会给出了秒的定义，也就是铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁时所辐射电磁波周期的9192631770倍的时间。这一定义实际上是基于原子超精细结构跃迁电磁波具有固定周期的特性。利用这一特性，可以制作原子钟用来精确计时，也可以对任意两个事件发生的时间间隔进行高精度测量。但遗憾的是，原子钟的计时精度并不会一成不变，它会随着环境温度变化，而且微波谐振腔老化也会影响计时精度，所以我们需要更加稳定的时钟。

脉冲星是处于真空中的天然计时器，它在宇宙中孤独地转动，不会受环境影响，也不会因老化而颤抖，因此它比地球上的任何钟表都要更加稳定。将每一次接收到的脉冲信号做为时间刻度，可以代替原子钟用来计量时间。或许在不久的将来，人们能看到“脉冲星钟”代替原子钟，来作为时间计量的标准工具。

目前，市面上销售的部分手机安装了北斗卫星导航系统，它可以用来确定我们的位置。实际上，这是天上的北斗卫星在不停地测量手机到卫星的距离，然后结合多颗卫星的距离就能够算出手机所在的位置。但令人遗憾的是，这个办法对于距离地球较远的位置就难以奏效了。

这可不太妙！假如我们要发射一艘火星飞船，那我们要怎么才能确定飞船的位置呢？难不成还得先发射一些火星定位卫星才行？实际上并不需要这么麻烦。使用同样的原理，我们可以用天空中不同位置的脉冲星进行定位导航。 

图4. 在地球上可以接收到不同位置的脉冲星信号，这些脉冲星信号的到达时间可以帮助我们确定时间以及进行脉冲星导航（图源：David Champion）

脉冲信号到达地球的时间和接收信号的位置有关。同一个脉冲信号，距离脉冲星越近的位置就能越早地接收到；反过来讲，如果能够给定脉冲信号的到达时间，就能确定出接收信号的位置到脉冲星的距离。这样我们在银河系里的任何位置都能够轻松地完成定位，这就是梦幻一般的脉冲星导航系统啦！

不过也要说明的是，脉冲星的信号比北斗卫星的信号要弱得多，导致这样的定位过程需要望远镜收集信号才能运行，而且定位精度在地球附近要远低于北斗卫星导航系统，所以目前脉冲星导航研究针对的服务对象只是执行航天任务的飞行器。

▶ 想了解更多，请阅读苟利军研究员文章《星际旅行靠什么导航》

http://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2019-02/21/nw.D110000gmrb_20190221_3-16.htm

作者简介

卢吉光，毕业于北京大学天文学系，现工作于中科院国家天文台FAST团队，从事脉冲星辐射过程研究。