脉冲星：未来深空航天器的导航灯

尹怀勤

2016年11月10日，长征十一号运载火箭成功将我国首颗脉冲星导航试验卫星送入预定太阳同步轨道。那么，什么是脉冲星？它又是如何执行导航任务的呢？

精准的天文时钟

脉冲星是20世纪60年代天文学的四大发现之一。1967年，英国射电天文学家乔瑟琳·贝尔在行星际闪烁观测研究中，偶然发现一个时隐时现的射电脉冲源，其周期非常稳定，每隔1.3373秒就记录到一次脉冲信号，故而将其取名为脉冲星。这让当时的科学界和公众颇感困惑，甚至一度认为脉冲信号是外星人发来的联系“电报”。1968年，科学家在超新星SN1054遗迹即蟹状星云中发现脉冲星，脉冲周期是0.0331秒。这颗脉冲星比较特殊，因为它的前身超新星爆发是我国古代天文学家最早用文字明确记录的，见于1054年7月宋朝史官编写的《宋会要》，将其称为“客星”。1942年，荷兰天文学家奥尔特以令人信服的论证，确认蟹狀星云就是1054年超新星爆发后形成的。

“年老”的恒星可能会突然发生爆炸，亮度猛然增加上万倍，然后才慢慢变暗。那些爆炸时亮度特别高的星星便被称为“超新星”。恒星的核能耗尽以后，死亡的恒星遗骸分为白矮星、黑洞和中子星三种类型，脉冲星则是中子星的一种。

脉冲星属于高速自转的中子星。脉冲星之所以能够发射稳定的电磁脉冲信号，得益于它的小体积和大质量，以及星体高速自转并具有强大的磁场。在宇宙中，恒星的体积越小、质量越大，其磁场就越强。典型脉冲星的半径仅有10千米，质量却在1.44 ～3.2倍太阳质量之间，是宇宙中除黑洞以外密度最大的天体。在已经发现的脉冲星中，自转周期最快的可达到0.001337秒。因此，只有高速自转的中子星才适合扮演脉冲星的角色。

脉冲星具有极其稳定的信号周期。目前国际时间基准基于原子时系统。天宫二号实验室搭载的空间冷原子钟，虽然有望实现约3000万年误差1秒的超高精度，比氢原子钟数百万年误差1秒要高出一个数量级，但与脉冲星提供的时间精度相比还是相差甚远的。因此，脉冲星有“自然界最精准的天文时钟”的美誉。

非凡的导航素质

作为自然界最稳定、最精准的天文时钟，脉冲星将成为未来人类探索宇宙的灯塔。目前使用的GPS、格纳洛斯、北斗和伽利略卫星导航系统，由于受卫星运行轨道高度的限制，并不能为在深空中飞行的航天器进行自主导航，而传统的天文导航方式精度较低、技术难度大，利用地面深空探测

网对航天器进行跟踪，测控信号强度会随着距离的增大而衰减。故科学家设想，利用已发现的脉冲星为深空航天器进行导航。

截至目前，已发现和编目的脉冲星数量已达到2000多颗，其中160多颗具有良好的X射线周期辐射特性，可作为导航候选星，而人类在地球上能观测到的脉冲星还只是其中的一小部分。天文学家估计，银河系的中子星总数可能有数万颗。

脉冲星可以在射电、红外、可见光、紫外、X射线和γ射线等多个电磁波频段产生信号辐射，其中X射线信号最为稳定，最适宜用来为导航服务。人们通常也把在该频段辐射信号的脉冲星称为X射线脉冲星。

当脉冲星高速自转时，磁极波束若扫过安装在地面或航天器上的探测设备，该设备就能接收到一个脉冲信号。依靠脉冲星发出的X射线脉冲信号，就可以为航天器提供高精度的位置、速度、时间和姿态等丰富的自主导航信息服务。那时的脉冲星，就犹如一个在浩渺宇宙中持续稳定地发出导航信号的灯塔。

其实，利用脉冲星进行导航的设想，早在40年前就被提出，但利用X射线脉冲星进行航天器自主导航的理论研究却只经历了10多年的发展时间。

2004～2005年，美、欧先后启动“X射线导航与自主定位计划”与“ESA深空探测器脉冲星导航研究计划”。美国国家航空航天局预定2017年实施在国际空间站安装“空间站X射线授时与导航技术探索”仪器的计划。2005年以来，我国也开展了有关X射线脉冲星导航的课题研究，并于2016年成功发射脉冲星导航试验卫星。这是世界上首个在轨的脉冲星导航试验系统。

脉冲星试验卫星

我国的脉冲星试验卫星升空后，在其开展的试验任务中，有一项就是探测蟹状星云脉冲星的靓丽身影。2016年12月至2017年1月是观测蟹状星云脉冲星的最佳时间。当然，过了这段时期之后，卫星还要继续进行观测试验。卫星入轨后，将开展在轨技术试验，验证星载脉冲星探测器性能指标和空间环境适应性，积累在轨实测脉冲星数据，为脉冲星探测及技术体制验证奠定技术基础。

脉冲星试验卫星的基本工作原理是，通过捕捉脉冲星发出的X射线，来找到这种奇特的天体。此次发射的脉冲星试验卫星搭载两种不同类型的脉冲星探测器：准直型微通道板探测器和掠入射聚焦型探测器，均为我国首次在轨使用。利用上述两种探测器对X射线脉冲星的脉冲信号进行探测收集和采集，最终实现在轨对脉冲星导航技术的原理验证。

未来，我国脉冲星导航研究团队还将用5～10年的时间，持续探测26颗脉冲星，建立精确的脉冲星导航数据库，为这种自然形成的宇宙灯塔绘制最基础的地图，以便进行后续导航技术的试验。在此基础上，再经努力攻关和充分验证，我国有望率先建立以脉冲星周期为主的时空基准，航天器将使用全新的脉冲星时间，实现自主定位与导航。未来各种航天器无论飞得再远再久，也不会担心迷失方向。即便是宇航员踏上宇宙飞船，来一次说走就走的星际旅行，也有了指路灯标。

【责任编辑】庞 云