了解太空中目标天体的精确位置有多难

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2020-12-30 22:35

北京时间 12 月 23 日消息,在 20 世纪 60 年代的早期太空比赛中,假设是以宇宙飞船导航所需的精确度而论,美国和苏联的科学家实践都不分明火星、金星等行星的详细位置。这听起来有点可笑。当然,当宇宙飞船抵达这些行星附近时,他们还是能大抵知道指标会在哪里。然而,这里的 “大抵”能够象征着 1 万或 10 万公里的偏移量。行星的位置,即它们的星历表,依赖于以极高精度对其轨道随时间推移的变动情况停止校准。但惟一正当的方法是间接测量,就像古代的水手需求沿着岛屿或海岸线飞行,以便确定纬度和经度一样。

对于这个效果,一个很不面子的例子发作在 1961 年终。从苏联发射金星 1 号(Venera 1)探测器末尾,人类向金星发射探测器的方案便拉开了序幕。苏联和美国科学家都宿愿能最早确定金星的位置,并以此来精确计算天文单位——过后被定义为地球核心与太阳核心之间的平均距离。在地球上,可能经过测量从金星上反射的雷达信号来确定距离。几个月后,苏联人自豪地发表了基于金星的天文单位测量改进方法,但美国人很快发现,这与他们自己的雷达测量结果相差约 10 万公里。美国人兴致勃勃地讥笑苏联人,说他们能够发现了一颗新的行星。

回顾起来,这台苏联探测器——原本方案在测距结果发表的时分飞掠金星——之前已经教训了一系列的曲折,包含失败的热管制和姿态管制失灵。虽然它能够确实通过了金星附近的某个位置,但咱们永远也无奈确切知道它与该标志位置的距离,由于在那一点上,地球与探测器的一切通信都中止了。

舛误认定金星的位置能够会带来劫难性的后果。金星 1 号探测器能够由于偏离太多而无奈获得任何有用的数据,它也能够间接撞向行星,形成不光彩的坠毁。可能想见,在这些惨痛的经验之后,科学家们会如许致力地确定太阳系天体的位置,与之相干星历表也编制得越来越厚,越来越精确。但是,即使有了长足的进步,精确定位航天器及其行星指标所面临的基本效果仍未齐全处置。在某种意义上,效果反而更加尖利。

当初,位于美国加利福尼亚州的美国航空航天局(NASA)喷气推动试验室是星历表的主要编制机构之一,提供了精心编写并始终更新的数据,协助咱们确定行星、卫星、彗星、流星群和小行星的位置。这就像农民所用的年历,只不过是用于行星探求。但是,随着探求范畴越来越远,咱们的指标越来越离奇,咱们所面临的应战也越来越大。

已经无机构在草拟一项雄心勃勃的方案,宿愿应用强大的激光,推进带有轻型帆的微型 “纳米飞船”(nanocraft),一路飞行到南门二(半人马座α)恒星系统。该系统距离地球超越 4 光年,假设以 20% 的光速(约每小时 2.16 亿公里)行进,需求花费至少 20 年的时间。在正确的时间抵达另一个恒星系统的正确位置,这个效果远比抵达悠远的太阳系边缘星球(如冥王星)简单得多,只管返回冥王星就已经够艰巨的了。

2006 年,NASA 的 “新视线号”探测器以破纪录的速度发射,在 9 年多的时间里飞到冥王星附近(在木星引力协助下),航行距离近 50 亿公里。应用地球上的望远镜观测,以及对冥王星的轨道静止停止精细的计算机模拟,咱们可能确定该探测器在天地面的位置,精确度可达约 0.00014 度角。但是,冥王星太过悠远,如此庞大的不确定性也会招致约 13000 公里的位置误差,足以重大阻碍近距离飞掠义务。愈加简单的是,新视线号在轨道上教训了难以预测的漂移,这是钚发电机发生的不均匀热辐射所招致的。

新视线号终于在 2015 年 7 月与冥王星相遇,这让那些在发射之前期待了相当长一段时间的科学家们松了一口吻。它以 12500 公里的距离飞掠冥王星。最后,为了快速擦过冥王星及其卫星,新视线号在凑近正确门路的任何地方都要停止粗疏的位置测量,并利用探测器自带的相机停止航向批改。这一进程需求极大的耐烦。

如今,让咱们来比较一下冥王星与距离太阳最近的恒星——比邻星(Proxima)。比邻星位于半人马座,是半人马座α三合星的第三颗星,以每秒约 32.19 公里的速度相对太阳静止。不过,每秒 0.01 公里的最小有效数字,象征着在为期 20 年、600 多万公里的义务中会累积相当大的位置不确定性。这还是恒星,一个明亮的、比较容易钻研的天体,而恒星系统中的行星亮度会降落 10 亿倍,其位置也愈加难以确定。与新视线号一样,星际探测器很能够不得不随时跟踪自己的指标,并且必需自主实现,由于与地球的来回通讯就需求数年的时间。

至于微型航天器是否携带必要的计算工具,或许能否具有追踪指标所需的感知和操纵才干,还有待观察。明亮的恒星本身能够就是最好的标志,可能和太阳一同作为导航灯塔。从激光二极管发射的强劲脉冲可能提供调整方向的推力,但更要害的是,数百甚至数千台具备人工智能的纳米飞船在发射之后,每一台都具备相互学习的才干,或容许以经过大规模冗余和就义多数来到达时间和空间指标。但是,当你试图用一颗子弹去阻拦另一颗飞来的子弹——无论是恒星还是行星——时,过错能够是在灾难逃的。

不难发现,在数千或数百万公里的范畴内,位置的不确定性能够会给太空探险者带来费事。但奇异的是,绕轨道运转的恒星和行星具备一些基本的物理学属性,这些属性取决于非常小的位置不确定性,并且可能毫不含混地决议整个系统的生活。究其根源,在于引力物体之间的能源凌乱现象,以及凌乱但数学上可绘制的不巩固性,还有天体静止的不可预测性。虽然科学家自 19 世纪 80 年代就发现了混沌现象,但直到 20 世纪 80 年代,钻研人员才开发出专门用途的计算机,以精确模拟太阳系中行星受引力驱动的静止。这些模拟提醒了咱们生存在一个如许凌乱的空间中。

结果标明,假设在数千万年到数十亿年的时间里追踪太阳系内物体的静止,诸如水星这样的行星位置出现毫米级的变动,也会发生很大的影响:未来的轨道能够相对平淡无奇,但也能够使内太阳系变得不巩固,行星被甩向太阳,或许逃逸到星际空间的轨道上,甚至将两颗行星置于相互碰撞的轨道上。

如此庞大的变动会招致如此一模一样的结果,这让许多宿愿世界具备某种可预测性的人无奈接受。这就说到了人类作为一个物种,仿佛不时在致力想要做到的一些事件。咱们很宿愿所谓的事实是固定不变的,或许至少不是千变万化的。但事实很少如此。

在将航天器发射到其余行星,甚至其余恒星的进程中,咱们别无抉择,只能抵赖目前的这种不精确性。事实就是如此严酷,咱们对外太空的了解太有限了。甚至人造定律都是基于全然不完美的测量得出的推论,无论是行星轨道和引力,还是代数的逻辑和符号解决——后者是经过人脑和人脑开发的机器来 “测量”的。令人惊奇的是,这些定律可以很好地模拟和预测物理世界的方方面面,几千年来不时在协助咱们,并使咱们感到安心。今天,咱们仿佛已经设法改动了这个效果,可能预测人造中能够发作的各种混沌,从不巩固的天气条件到不巩固的股票市场,当然还有行星。

这就是为什么老实面对局限性是一件美好的事件,由于咱们能因此找到超过空间、时间并理解界限性的方法。20 世纪 60 年代的火箭科学家们试图把握金星和其余行星的位置,他们甚至都没无看法到,自己在某些方面已经成为先驱。他们不只是在穿梭虚无的太空,试图确定几乎不能够定位的天体,更是在意识事实本身的根本色质。

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