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英国科学家开发新型星际导航技术可追踪X射线脉冲

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  来自英国国家物理实验室(NPL)和莱斯特大学的科学家开发了一种星际导航技术,能够追踪来自X射线脉冲星发射的高周期信号。根据研究人员说,在飞船上使用一个小的X射线望远镜,它应该有可能确定其在深空的位置,准确度为2公里。

  该技术简称为XNAV,这种系统会仔细利用脉冲星的脉冲周期,脉冲星是高度磁化的旋转的中子星,参照标准太空标准位置,如在太阳系的质量中心(位于太阳日晷线上),确定航天器的相对坐标。随着脉冲星旋转,它们从磁极处发出的电磁辐射束,包括强大的无线电发射。如果这些光束指向地球,这种每个“脉冲”会表现出快速的旋转状态。

  在双星系统中的一些脉冲星还会从伴星上吸积气体,并可以聚拢在脉冲星的磁极处,并变热足以发射X射线。正是这些X射线脉冲星可用于恒星导航,无线电天线又大又笨重,而X射线探测器更小,经常与一个单一的像素的传感器装配在一起,并且容易被包括在一个航天器的有效载荷中。

  X射线负荷

  在2013年,理论描述XNAV技术的工作已经开展,并经欧洲航天局委托在英国国家物理实验室的由Setnam Shemar领导的团队,进行可行性研究,且着眼于将来有一天能把这种技术用在他们的飞船上。

  Shemar的团队分析了两种技术。最简单的被称为“三角校正”,并通过从一个单一的脉冲星定时传入的X射线脉冲,使用一个板上的原子钟,并在标准位置比较它们到达的预期时间。这两个之间的时间偏移,连同从地面追踪航天器位置的初始估计,可以获得更精确的航天器的位置。该方法被设计用于与基于由美国航空航天局的深空网络或欧洲空间跟踪网络的地面跟踪进行联合,以提供更多的位置精度。模拟表明,当锁定一个脉冲星十个小时时长时,准确度为2公里时,当只观察一个小时时准确度为5公里。

  这个方法的好处最明显的一点就是执行太阳系外的任务,Shemar说,这里距离意味着地面追踪比太阳系内的测量更不准确,而在XNAV系统中可以校准。然而,普朗克研究所的外星物理学家Werner Becker,他没有参与目前的工作,指出,这样的系统不会是自动化的,将仍然依赖于与地球之间的通信。

  Shemar也赞同这种观点,这就是为什么他的团队也考虑了第二种技术,被称为“绝对导航”。确定三维空间中的位置,必须有一个X、Y和Z坐标,再加上一个时间坐标。如果飞船上拥有一个原子钟,然后可以通过监测至少三颗脉冲星,如果没有原子钟,那么还需要第四颗脉冲星。该小组的模拟表明,在海王星的距离,在三维空间中使用四个脉冲星系统,一个航天器可以自主测量其位置在30公里精确范围内。

  技术限制

  绝对导航的缺点是,要需求更多的X射线探测器,一个对应一个脉冲星或需要一个机制让X射线探测器转换到每个需要实施探测的脉冲星。这是一个权衡,Shemar指出,精度和技术和成本的实际限制之间。例如Becker曾倡导使用多达10颗脉冲星提供最高精度,但在一个太空船上实现起来可能更难。

  在这样一个转向机构复杂工程的同时,“这不是现有技术一个英里外的范围,”莱斯特大学的Adrian Martindale说,他参加了可行性研究。在成本方面,包括系统复杂性和XNAV系统X射线探测器大小,团队引用水星成像和X射线光谱仪工具的例子,将对这颗太阳系最里面的行星在2018进行Bepi-Colombo使命。

  “我们已经表明,我们认为实现这种系统是可行的,”Shemar说,并提到,一些技术方面仍需要追赶理论工作。“尽可能减少探测器的质量,减少每个脉冲星的观测时间,并有一个合适的转向机制等都是要克服的重大挑战。”

  在2017年的二月,美国宇航局计划发射中子星内部组成探测器(NICER号),到国际空间站。虽然主要用于X射线天文学,NICER的将验证XNAV系统。作为这个想法的脉冲星导航的不断发展,“空间机构可能开始采取更积极的作用,并开始开发策略如何让XNAV系统可以在太空任务执行,”Shemar说。

  Becker对于XNAV系统即将迎来的在航天器上使用的计划保持一点点怀疑。“当真正有需要时,这项技术将成为可用的,”他说。“自主脉冲星导航成为有吸引力的深空任务,但几年内仍是没有成熟的计划的。”

  这一研究发表在《实验天文学》杂志上。

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