如何星際旅行不迷航_風聞

我是誰？我在哪？我要去哪？這樣的問題在未來的星際時代並非哲學沉思，而是非常現實的問題：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，並且準確規劃航線。

而這些看似很科幻的問題，其實早就已經有了很多解決的技術。

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－文字稿－ 

當人類進入星際時代，一定會面臨一個嚴重的問題，那就是如何在茫茫宇宙中定位、導航。

鑑於某些知名科幻作品中的導航方法過於玄學，比如《沙丘》中吃香料進化出的星際導航員，或者黃金馬桶上指引人類的亞空間燈塔等等，人們需要考慮一些更加科學的手段。

**方法一，使用加速度計和陀螺儀，也就是慣性導航系統。**通過測量每一刻的加速度、角速度，就可以利用積分計算出飛行器的速度、位移。只要保留完整的航行記錄，就可以像忒修斯的線團一樣，指引飛船的方向。不過慣性導航的缺點也很明顯：時間越長，誤差越大，所以只適合較短的航程和輔助定位。

方法二，利用已知天體的相對位置來定位。這種古老而有效的方法（celestial navigation），在太空中會稍微麻煩一點。除了測量自己與兩個天體之間的角度，還要需要知道它們的距離，這樣才能把自己定位到一個圓形區域；顯然，只要多獲取幾組這樣的數據，就可以唯一確定在宇宙中的位置。

這個定位系統的關鍵，在於如何測量恆星距離。

早在1838年，德國天文學家弗里德里希·貝塞爾（Friedrich Bessel）就通過週年視差，測出天鵝座61距離地球大約10.4光年。但是當距離超過100個秒差距的時候，三角視差法就不好用了。這時候就需要用到分光視差法，或者主星序重疊法等等技術。

分光學因而在天體物理中極為重要，不論測定距離、還是天體的元素構成、判斷恆星演化的階段，都離不開它。

不過，可見光只是整個電磁波譜 透過地球的光學窗口後殘留下的一小段。對於星際航行，還需要高能射線和射電頻段的補丁。

早在1895年倫琴就在研究陰極射線時發現了X射線，1914年維拉爾又發現了γ射線。勞厄等人則證實這兩種高能射線其實也是電磁波。

它們更特殊，在宇宙中，X射線源可能是黑洞或者中子星這類緻密天體，γ射線長暴則可能與超新星爆發有關，總之都是需要躲開的死亡陷阱。

另外一方面，X射線、紫外線和射電頻段，在氣體和塵埃中，都比可見光具有更好的穿透性，因而是更好的導航信號。

1931年，貝爾實驗室的卡爾·央斯基（Karl Guthe Jansky） 就在銀河系中心發現了射電信號，這也開啓了射電望遠鏡的時代。

**方法三，就是通過固定的射電信號源導航。**深空網絡（Deep Space Network）的導航系統就是一個真實存在的範例。

通過幾個巨大的射電天線向飛船和衞星發送電波，根據射電信號的多普勒效應，以及最重要的，原子鐘級別的精確計時系統，再經過一系列複雜的算法對反饋信號進行處理，就可以實現對宇宙飛船或衞星的定位、測速和導航。

這其實和全球定位系統（GPS）的原理差不多。其缺陷在於，射電信號會受到大氣和磁場的影響。解決的辦法大概就是在深空中建立更多的中繼衞星和外星信號站。

不過還有一個更加省錢、覆蓋全銀河系的方法，那就是利用天然存在的脈衝星。

​説到脈衝星，其發現的過程又是一個天體物理學中典型的，先有理論模型然後按圖索驥的例子。

在二十世紀初，原子物理突飛猛進地爆發：1896年貝克勒爾發現天然放射性和β射線，1897年湯姆森發現電子，打破原子不可分的理念，1918年盧瑟福通過α粒子轟擊氮氣發現質子。所有這些成就，促使愛丁頓在1920年提出太陽內部 通過氫核聚變產生光與熱的猜想。1928年，伽莫夫發現的量子隧穿效應又進一步完善了這個猜想。

之後在1932年查德威克發現中子，巴德和茲威基又據此在1934年提出：恆星演化末期會發生超新星爆發，其殘存的星核是一種叫做中子星的奇特星體。所以按照他的推理，超新星遺蹟中應該存在中子星。然而中子星一直沒有被人們觀測到。

直到1967年，天文學家休伊什建造了一個巨大的長波接收天線陣，由2048個偶極天線組成的行星際閃爍陣列。他的研究生約瑟琳·貝爾從長達30米的記錄紙帶中，發現了一個規則的週期性射電脈衝信號，其週期只有1.337秒，脈衝持續時間16毫秒。又發現了三個類似信號後，休伊什將信號源命名為脈衝星。

 1968年，戈爾德提出脈衝星就是巴德和茲威基所預言的中子星。高速旋轉的中子星，使其強磁場中高速運動的質子和電子，產生同步加速輻射；又因為磁極和自轉軸的不一致，就產生了轉動的射電波束。如果恰巧有射電波束掃過地球，人們就探測到了脈衝信號。

這就是脈衝星的燈塔模型。

中子星和超新星遺蹟的關係，也在巨蟹座星雲中得到了證實。

**所以方法四：就是脈衝星導航系統。**以脈衝星穩定發射的週期性脈衝來計時，可以把時間誤差縮小到微秒甚至納秒級，其精度已經與銫原子鐘相當。因而只要觀測多個脈衝星，形成脈衝星計時陣，就是一個天然的深空網絡，或者銀河定位系統（GPS）。

脈衝星的發現激起了天文學界幾十年如一日的熱情，紛紛開展大規模巡天計劃：對着天空盲搜信號，等待線索出現。

這還帶來一個意外的發現：快速射電暴。這些高能的毫秒閃光，據推測，其信號源非常之巨大，可能來自於銀河系外。説不定在未來的某天，它們會成為人類跨星系旅行的燈塔。

現在世界各地的射電望遠鏡都在尋找宇宙燈塔，想不想參與探索並更深入瞭解更多？這裏為你提供一個硬核科學遊戲——燈塔計劃。

它由美國賓州州立大學物理學博士帶領團隊開發，並與北京大學、中國天文台、英國格拉斯哥大學深度合作，目標就是通過物理學歷史接觸真正的宇宙燈塔。

在遊戲中，玩家還可以接觸到由北京大學科維理天文中心，在新疆與雲南射電望遠鏡觀測到的快速射電暴真實數據。（當我國的FAST通過驗收後，其脈衝星觀測數據也會加入其中。）

玩家如果能協助辨別射電暴信號，還有機會獲得北大科維理天文中心教授頒發的發現證書。

遊戲採用極簡低多邊美術風格，以一種嚴謹而不失趣味的方式，讓我們重温了天文和物理的聯姻過程：與倫琴一起享受X射線的貫穿，與盧瑟福一起發射質子電球轟炸，與愛丁頓一起體會太陽核聚變，一路衝破關卡，探索宇宙燈塔的奧秘。