脉冲星导航示意图（XNAV, 2006）

 

在被人们发现之前，脉冲星们已经在茫茫的宇宙中高速且稳定地旋转了数亿年。1967年发现脉冲星、1982年发现毫秒脉冲星后，科学家在接下来的长期观测和研究中有了更多惊喜的发现。

 

作为高速而稳定自转的中子星，脉冲星按一定频率发射出稳定的脉冲信号，特别是毫秒脉冲星的长期稳定度甚至好于地球上最稳定的铯原子钟。因此，它可以提供独立、稳定的空间参考基准和时间基准，为空间飞行提供导航信标。也就是说，科学家找到了深空探测和科学探测的天然灯塔。

 

对这些太空“灯塔”进行观测和研究是中国科学院国家空间科学中心新技术研究室近年来的重要工作之一。

 

“针对脉冲星的多波段计时观测和辐射机制研究将为未来的脉冲星自主导航和空间时间基准应用提供重要的钟模型基础和依据，有重要的应用价值。”研究室主任陈鼎研究员首先介绍了这项工作的重要性。

 

这还得从脉冲星导航的原理说起。X射线脉冲星导航是在航天器上安装X射线探测器，探测脉冲星辐射的X射线光子，测量光子到达时间和提取脉冲星影像信息，经过相应的信号和数据处理，航天器自主确定轨道、时间和姿态等导航参数的过程。

 

陈鼎进一步解释说：“脉冲星导航定位实际上是在以太阳系质心为基准的太阳质心惯性系，计算脉冲传播到太阳质心和空间飞行器的时间差值，由此来确定深空探测器在太阳系质心坐标系中的位置。”由于具有信息完备性、实时操作性、不发信号、不依赖地面站和长时间运行等特点，X射线脉冲星导航具有传统导航技术无法比拟的性能优势，是真正意义上的航天器自主导航的有效途径。

 

不过，脉冲星导航是建立在对脉冲星位置、自转参数和天体测量参数等精确测定的基础上的。

 

精确测定天体的距离和运动速度一直是天文学的难点。这也正是脉冲星研究中亟待解决的问题。脉冲星距离太阳系十分遥远，达到几万光年以上。由于观测手段的限制，目前脉冲星星表误差及测距误差还比较大，需要通过地面射电观测和航天器X射线巡天观测等多种手段进一步精细化，为获得高精度定位结果提供服务。

 

在国家自然科学基金等项目的资助下，研究室的杜源杰博士、陈鼎研究员等对脉冲星的观测工作采用了甚长基线干涉测量技术（VLBI）的观测方法。简单地说，就是把几个小望远镜联合起来，达到一架大望远镜的观测效果。一开始，课题组尝试使用国内的甚长基线干涉网（CVN），通过联合中科院国家天文台乌鲁木齐天文站和上海天文台的相关研究人员，利用相距3250公里的乌鲁木齐天文站和上海天文台直径为25米的射电望远镜，成功地对脉冲星J0953+0755和J1939+2134进行了VLBI相位参考观测。观测精确地测定脉冲星在天球上的坐标位置，并给出了其高精度天体测量参数。

 

为了追求最高精度的测量精度，陈鼎想到了欧洲VLBI国际联测网（EVN）。EVN是由分布在欧洲、亚洲、非洲和美洲等不同国家的18个射电天文望远镜组成的甚长基线干涉网，其成员包括美国Aricebo射电望远镜（305米）、德国Effelsberg射电望远镜（100米）、英国Lovell射电望远镜（76米）等，是世界上测量分辨率和灵敏度最高的VLBI网。

 

从2010年起，由课题组提出的“X射线毫秒脉冲星高精度天体测量”的观测计划得到了EVN专家委员会推荐和支持。该研究计划将对有较强X射线辐射的毫秒脉冲星J0218+4232开展跟踪观测，以获取该脉冲星国际上最高精度的天体测量参数和自行信息。

 

为了准确获得PSR J0218+4232的距离和在空间运动的横向动力学速度（自行），研究组在三年内通过协调位于全球不同位置的10~18个著名望远镜，开展了五次等效口径相当于地球直径的高分辨率观测。“这是名符其实的高分辨率，甚至已经接近了目前人类测量的极限。”陈鼎笑到，“我们的分辨率已经精确到了50个微角秒。如果这个数据让人不明所以的话，换一个说法可能比较容易理解——这相当于观测月球上一枚硬币的分辨率。”

 

该研究结果中脉冲星测量精度提高了6倍以上，并得出了不依赖于任何理论模型的三角视差距离。在后续研究中，课题组还排除了目前国际上流行的两个脉冲星辐射模型。该成果发表在国际学术期刊《天体物理学通信》（ApJ L）上。

 

这样高精度的天体测量结果和动力学研究对脉冲星辐射模型及计时精度、银河系演化与结构、引力波探测和脉冲星时间尺度、自主导航应用等研究起到了积极推动作用。

 

人类的太空探索和空间科学探测对于空间测量精度的需求和追求是无止境的。因此，陈鼎他们仍任重而道远。从今年起，研究组将利用EVN对下一组毫秒脉冲星展开观测，进一步开展和推进脉冲星时间基准和自主导航的重要应用研究，继续追逐他们心中早日“点亮”太空中这一天然 “灯塔”、为人类的太空探索贡献力量的梦想。

 

《中国科学报》 (2014-03-03 第8版    基金)