如何星际旅行不迷航_风闻

我是谁？我在哪？我要去哪？这样的问题在未来的星际时代并非哲学沉思，而是非常现实的问题：那就是如何定位自己在宇宙中的位置和速度，如何知道目的地的位置，并且准确规划航线。

而这些看似很科幻的问题，其实早就已经有了很多解决的技术。

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－文字稿－ 

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。

现在世界各地的射电望远镜都在寻找宇宙灯塔，想不想参与探索并更深入了解更多？这里为你提供一个硬核科学游戏——灯塔计划。

它由美国宾州州立大学物理学博士带领团队开发，并与北京大学、中国天文台、英国格拉斯哥大学深度合作，目标就是通过物理学历史接触真正的宇宙灯塔。

在游戏中，玩家还可以接触到由北京大学科维理天文中心，在新疆与云南射电望远镜观测到的快速射电暴真实数据。（当我国的FAST通过验收后，其脉冲星观测数据也会加入其中。）

玩家如果能协助辨别射电暴信号，还有机会获得北大科维理天文中心教授颁发的发现证书。

游戏采用极简低多边美术风格，以一种严谨而不失趣味的方式，让我们重温了天文和物理的联姻过程：与伦琴一起享受X射线的贯穿，与卢瑟福一起发射质子电球轰炸，与爱丁顿一起体会太阳核聚变，一路冲破关卡，探索宇宙灯塔的奥秘。