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如何一招治好「宇宙級路痴」?科學家想出了這個辦法…

如何一招治好「宇宙級路痴」?科學家想出了這個辦法…

2023-10-26 Comments 0 Comment

你是誰?旅行者……你在哪裡?外邊兒……你要往哪裡去?去遠方……面對靈魂三問,給出這幾個答案的要是個人,那沒什麼大不了,誰還沒個迷茫叛逆期?但這麼答題的要是個太空船……地面上的科學家們可就得當場抓狂了。

要探索星辰大海,時刻都能搞清楚自己的位置,實在是個基本課題,然而,這說起來容易做起來難,接下來咱們就簡單聊聊。

旅行者。圖源:NASA

太空中,怎麼找著「北」?

先假想這樣一個實驗:在你家客廳裡,把窗簾拉得嚴嚴實實,做到真正伸手不見五指。接著,戴著夜視鏡的主持人拉住你的手,在屋裡左幾步右幾步再轉幾個圈,總之就是隨機運動一番,保證你徹底繞暈。

這時再讓你說出自己的位置,並指出門口的方向,你還能做到嗎?要不怎麼說「徹底繞暈,找不著北」了呢。

這時只見主持人把一枚光線非常微弱,只能照亮一點點區域的螢光小球放在桌上,說:“這是你的餐桌”,我們能立即指出門口方向麼?恐怕還是不行,因為單憑這一個標記,還是無從得知我們的方位。

現在主持人又拿出一枚螢光小球,說:“你最喜歡坐的那個小沙發在這裡哦”,這下,我們的導航技能就會立即激活,隨手指出屋內每樣陳設的位置。

用這兩盞小燈作為參考,我們甚至可以倒退走到門口去。這是因為對於房間這種可以簡化成平面地圖的地方,有兩個明確參照物咱們就能確定自己的位置了。

那麼問題來了,在四下無著的太空中穿梭的探測器,如何知道自己的位置和朝向——我是誰?我在哪裡?我要到哪裡去?

太空船確定自己的位置時和我們在小黑屋差不多,只是它身處茫茫三維空間定位更加困難,要想準確到達目的地,就要給它足夠多、足夠明確的參照物,供它判斷自己的位置、姿態和飛行方向。

凝望家的方向,才能奔向遠方

著名的旅客2號探測器為例,它配備有太陽感測器和老人星追蹤器,隨時掌握著太陽和全天第二亮星老人星的方位。有這兩顆星為參考,旅行者就能「一路倒退」著前行,去探索太陽系和廣袤無垠的空間。

大家可能要問:為什麼要跟蹤第二亮星?為什麼不選排名第一的天狼星?因為天狼星離黃道太近,光路容易受太陽方向的眩光幹擾。老人星和太陽分得夠開,所以是個理想的方位參照。

在發展旅行者的時代,每段程式、每份記憶體都很寶貴,它判斷「現在追蹤器裡出現的是老人星」的方法還很原始,就是測量恆星亮度,傳回地球確認:「嗯,就是它,一直盯著吧。”

思路縝密的讀者這裡會喊停:等一下!你說旅行者把亮度資料發回地球確認?但既然追蹤器裡出現的還不一定是老人星,那麼探測器的天線也未必指向地球,你怎麼保證地球能收到數據?

科學家的想法也很縝密,讓旅行者在任務開頭80天內,不用定向發射的高增益天線,而用波束發散的低增益天線跟地球聯絡。這時探測器還沒飛遠,所以即使它不完全正對地球,雙方交流也沒問題。

而在記憶體不值錢的今天,人們則是把許多亮星的光譜資料存到探測器裡,讓它根據亮度和光譜自己做出判斷。

有些恆星追蹤器製造商甚至把亮星們兩兩之間的角距離放入資料庫, 由於亮星位置很隨機,因此每份距離資料都獨一無二,非常可靠。

例如追蹤器看到兩顆亮星間隔27.1045°,到庫裡一查,立刻就能判斷這是天狼星和參宿四,迅速鎖定雙方身份之後,再測測光譜、或另找一顆星對照一下,就能辨認出誰是天狼星、誰是參宿四。

旅行者2號,它真丟過…

那麼,如果太空船飛著飛著,突然搞不清自己在哪裡了會怎麼樣?一種可能是它們偏離軌道,漸行漸遠直到丟失,而有些航天器則可以搶救一下。

例如前不久,在太空中飛行了46年的傳奇探測器旅行者2號就險些「走丟」。7月21日,美國太空總署朝旅行者2號發了一些指令,但裡面有個bug,使它原本一直指向地球的天線偏轉了2​​°。2°是什麼概念呢?

你平舉手臂一陣子,累了手臂一定會晃,以肩膀為軸,手臂上下偏移的角度就有1°~2°了,這時指尖偏移的幅度不過區區一兩厘米,這是因為成年人的手臂不過半米多長。

然而旅行者2號已經飛到200億千米以外,這小小2°的角度偏差,會使它的信號波束中心偏離地球7億千米——要知道地球距離太陽才只有1.5億千米呢!所謂“失之毫釐謬之千里”,這句話用在宇宙簡直太合適了,結果旅行者2號就此失聯。

地球上的科學家一邊猛拍大腿懊悔不已,一邊試著把它找回來。

8月1日,他們發現和旅行者聯絡的深空探測網還能嗅到一絲「我還活著」的載波訊號。8月3日,科學家使用深空探測網在堪培拉的100千瓦S波段上行鏈路,衝著旅行者2號的方向“大吼一聲”: “你倒是把頭轉過來啊~”

位於坎培拉的深空探測網天線。圖源:NASA

雖然旅行者2號發出的信號偏離地球,但地球不會弄錯它的位置,這聲大喊大叫不偏不倚地擊中了它。儘管它歪著腦袋,還是聽到了,在發出指令37個小時後,地球重新收到了旅行者2號的正常信號,人們真把它找回來了。

假如這聲呼喊沒起作用,旅行者2號會不會永遠失去呢?其實尋回的可能性還是相當大,因為每隔一段時間,它就會自我修正姿態,把天線重新對準地球。剛過去的10月15日,就是計畫中的這樣一個日子,不過,它還是最好別丟…

精細調整必不可少

太空船知道自己在哪裡很重要,知道且能調整自己的姿態也很重要,假設一顆用來拍攝地球表面的衛星,都被翻了個底朝天還不知道,那一切可就白費了。還好隨著科技進步,咱們不缺太空定位和姿態感知技術。

例如短期內太空船的航向、姿態或速度改變,可以使用陀螺儀和加速度計來偵測。陀螺儀運用角動量守恆原理來感知方向的變化,加速度計則感知速度的變化。

就像電影裡被劫匪綁架的天才少年一樣,蒙著眼也能知道車子拐了幾個彎(陀螺儀),等了幾盞燈(加速度計),事後還能帶著警察徑直摸到劫匪的老巢。

而前文提到很多次的恆星方位,除了能讓太空船知道自己在哪裡,也能讓太空船知道自己目前的姿態。

就像我們在自己房間裡,即使不參考重力,一看眼前是天花板,腳朝牆,頭頂著另一面牆,就明白自己是平躺著的了。了解自己的姿態之後,太空船就能指哪打哪地進行觀測。

例如:哈伯深場是對著大熊座內一片只有2.6角分的天區拍攝342張影像之後合成的,開普勒望遠鏡則把視線鎖定在天鵝座和天琴座之間。

開普勒望遠鏡的觀測區域。圖源NASA

對於地球附近飛行的通訊衛星、氣象衛星這些需要時時面朝大地的太空船,它們每繞地球轉一圈,自身也要翻個跟斗。

除了透過追蹤恆星、或使用陀螺儀來獲取姿態以外,還有一些低成本的可靠方法。例如紅外線地平儀,透過將地球大氣層的紅外線輻射與冰冷太空進行對比,就能迅速感知地球的圓形輪廓,圓心就是太空船正下方的大地。

紅外線地平儀透過觀測紅外線輻射的陡升陡降來獲取大地輪廓,判斷自身姿態,衛星正飛越西安上空。作者製作示意圖

大家可能對恆星追蹤還有疑問:恆星分佈在三維空間裡,而不是固定在一個球面上。就算在球面上,隨著太空船在太空飛速疾馳,恆星的位置怎麼可能不變?怎麼可以放到資料庫裡查閱呢?

這是因為恆星都太遠了,就連離我們最近的比鄰星都有4.22光年之遙。

旅行者2號奮力飛了46年,剛飛到比鄰星距離的2000分之一!這就像把我們放到一個半徑兩公尺的圈子中心,讓我們花46年平移一毫米,問我們感覺到什麼變化沒有。在太空船眼裡,除了太陽以外,恆星位置幾乎都沒動過。

但假如我們的太空船萬壽無疆,或者我們乾脆來個“流浪地球”,一直飛下去、看下去,隨著星際間的穿行,我們眼中的恆星位置就會逐漸改變,平時熟悉的星座也會紛紛走樣,現有的姿態感知方法就失效了。

當然,有兩個解決方法。一是改用更遙遠的星係作參考,它們距離我們動輒幾千萬光年,尺度更大,所以更穩定。

二是使用恆星的更多信息,不但有方位,還有距離、自行速度等,這樣航天器就可以自己計算飛到哪裡時,參考恆星的方位會怎樣變化。為了做到這一點,我們就得把恆星距離測得非常準確。

總結

太空船知道自己的位置和姿態很重要,這需要參照物,而最常用的參考物就是恆星。隨著人類向著星辰大海不斷進發,咱們的星圖一定會越來越精確,越來越龐大,幫助更多的太空船飛向遠方。

企劃製作

作者丨曲炯科普創作者

審核丨劉勇中國科學院國家太空科學中心研究員

策劃丨丁崝

責編丨白莉

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