利用我国载人航天天宫二号空间实验室上的伽玛射线暴偏振探测器(POLAR)对蟹状星云脉冲星1个月的探测数据, 中国科学院高能物理研究所和空间应用中心的研究人员完成了我国首次脉冲星导航空间实验, 实现了对天宫二号的定轨, 学术论文已在《中国科学: 物理学 力学 天文学》2017年第9期正式发表。

该团队提出了利用Crab观测脉冲轮廓随卫星轨道变化的特性进行脉冲星导航的新方法, 通过建立天宫二号的轨道动力学模型, 实现了对天宫二号的定轨, 从而验证了所提出的方法的正确性和脉冲星导航的可行性。

越来越多的人造卫星、宇宙飞船等航天器将在太阳系内乃至恒星际间进行深空旅行, 此时GPS卫星已无法为它们提供导航服务。依赖于无线电的导航技术(如美国建立的深空测控网等)的导航精度会随着与地球距离的增加而变差, 而利用拍摄天体照片的光学导航的使用范围也受到多种因素的影响。X射线脉冲星导航技术是一项新型的自主导航方法, 它利用宇宙中遥远的天体——脉冲星发出的脉冲信号对太空中的航天器提供导航和授时服务。脉冲星时间信号的长期时间稳定度很高, 可与地球上的原子钟相媲美, 可以作为宇宙中的时间基准, 因此脉冲星也被称作“宇宙灯塔”, “星际旅行中天然的GPS卫星”等; 同时, 脉冲星距离我们非常遥远, 均在数百光年以上, 不受近地环境的影响, 可以满足航天任务在不同轨道下的持续高精度导航需求。

目前已发现的脉冲星超过2000颗, 通常认为它们是一类高速转动的中子星, 质量大约是1.4倍太阳质量, 转动周期从毫秒到数十秒不等。图1是脉冲星的示意图, 它具有很强的磁场(通常磁场强度在10⁶-10⁹特斯拉), 其磁轴与转动轴有一定的夹角。脉冲星的一部分转动能量会在两个磁极附近以电磁波形式辐射出来, 当辐射的方向指向地球时就可以被我们探测到。不同脉冲星由于其转动周期不同, 辐射区几何性质各异, 探测得到的脉冲形状(即脉冲轮廓)也各不相同。

图1  脉冲星示意图(图片来自网络)。

太空中的航天器通过对多颗脉冲星的实时探测, 可以实现自主导航, 如图2所示。对于同一颗脉冲星, 由于太阳系质心与脉冲星之间的相对运动速度恒定不变, 因此每一个脉冲达到太阳系质心的间隔都是恒定的, 其脉冲轮廓也不变, 称为”标准轮廓”。当航天器处于太阳系质心坐标系中不同位置时, 同一个脉冲达到航天器和到达太阳系质心的时间会不一样; 如果航天器朝向脉冲星运动, 脉冲间隔会缩短, 反之, 则会变长, 观测得到的脉冲轮廓也随之发生变化。通过分析航天器接收到的(不同方向)脉冲星脉冲信号的特点, 就可以得到航天器在太阳系质心坐标系之中的三维位置(或运动轨道)。

图2  太空中飞行器实现脉冲星导航示意图(左)以及航天器在太阳系中运动时与脉冲星的几何关系(右)。(图片来自网络)

1967年, 脉冲星被Hewish和Bell发现, 随即, Downs在1974年提出了射电脉冲星导航概念, 但由于射电探测设备过于庞大等原因而难以在工程上实现。由于X射线探测设备易于小型化, 同时很多脉冲星在X射线波段的辐射能量高, 1981年, Chester和Butman提出了X射线脉冲星导航的概念。1999年, 美国在ARGOS卫星上开展了非常规恒星定位实验(简称USA实验), 进行脉冲星导航研究, 但因其气体探测器被陨石击中而损坏, 实验被迫终止。进入21世纪以来, X射线脉冲星导航开始得到越来越多的关注。2004年, 欧空局发布了“基于脉冲星时间信息的航天器导航可行性研究”技术报告。2016年9月, 中国天宫二号空间试验室发射升空, 上面搭载的 “天极望远镜”——伽玛射线暴偏振探测器(POLAR)开展了脉冲星导航的国内首次空间实验, 11月, 中国发射脉冲星试验星XPNAV-01, 开始开展脉冲星探测及相关研究。2017年6月, 美国NASA计划在国际空间站上搭载NICER项目, 开展脉冲星自主导航试验。另外, 俄罗斯也计划在国际空间站上开展脉冲星导航试验。

       POLAR是我国载人航天的一个国际合作项目, 由中国和瑞士共同研制, 波兰科学家也做出了一定的贡献, 主要用于伽玛暴的偏振测量。2016年9月15日, POLAR搭载在天宫二号上发射升空, 图3中左图为天宫二号及POLAR所在位置(红色五角星所示), 右图为POLAR实物照片。POLAR是一个长宽高分别是45 cm、45 cm和25 cm的长方型探测设备, 由1600根探测棒组成, 能够探测到视场(约一半天区)中能量在15-500 keV范围内的X射线光子信号。随着天宫二号绕地球转动一圈, POLAR也完成一次对全天的探测。

图3  左图：天宫二号, 其中红色五角星是POLAR所在位置; 右图：POLAR实物图。

目前, POLAR已经在轨运行半年多的时间, 在此期间除了探测到数十个伽玛暴事例外, 还探测到了大量脉冲星信号, 其中来自蟹状星云脉冲星(即Crab脉冲星)的脉冲光子总量达到2千万以上。Crab脉冲星是宇宙中最著名的天体之一, 它诞生于公元1054年的一次超新星爆发, 该爆发被我们的祖先详细地记录在《宋史·天文志》中。它的自转周期约33毫秒(每秒钟转动约30次),在X射线及软γ射线波段辐射流强高、自转周期在短时标尺度上相对比较稳定, 是X射线脉冲星导航中重要的导航星之一。图4左是哈勃望远镜观测得到的Crab星云(Crab脉冲星位于星云内部), 右是POLAR观测得到的Crab脉冲星的脉冲轮廓, 具有清晰的双峰结构。

图4  左图：Crab星云(图片来自哈勃官网), 右图：POLAR对Crab脉冲星的观测结果。

中国科学院高能物理研究所和空间应用中心的研究人员利用POLAR 1个月的探测数据, 开展了脉冲星导航实验。该团队提出了利用Crab观测脉冲轮廓随卫星轨道变化的特性进行脉冲星导航的新方法, 通过建立天宫二号的轨道动力学模型, 实现了对天宫二号的定轨, 从而验证了所提出的方法的正确性和脉冲星导航的可行性。图5分别给出了脉冲轮廓显著性随6个轨道参数(包括轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点辐角、平近地点角)变化的曲线, 从中可得到6个轨道参数的最优解。与天宫二号的实际轨道数据进行比对, 得到其位置误差约10 km, 和理论预期一致。该团队将充分利用已有观测数据和即将发射的硬X射线调制望远镜(HXMT)等X射线卫星的新数据, 研究Crab等脉冲星的计时特征, 进一步理解脉冲星导航的基础科学问题和关键技术问题, 探索如何进一步提高脉冲星导航精度, 以期最终获得具有实用价值的脉冲星导航技术。

图5  脉冲轮廓显著性χ²随轨道参数偏移量的变化结果。蓝色点为不同参数的计算结果, 红色为最优值拟合结果, 0值点为实际轨道根数值。其中(a)半长轴, (b)为偏心率, (c)为轨道倾角, (d)为升交点赤经, (e)为近地点幅角, (f)为平近地点角。

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Zheng S J, Ge M Y, Han D W, et al. Test of pulsar navigation with POLAR on TG-2 spacelab (in Chinese). Sci Sin-Phys Mech Astron, 2017, 47: 099505, doi: 10.1360/SSPMA2017-00080 [郑世界, 葛明玉, 韩大炜, 等. 基于天宫二号POLAR的脉冲星导航实验. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2017, 47: 099505]

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SSPMA/47/9/10.1360/SSPMA2017-00080?slug=full%20text