日前，我國首部科幻大片《流浪地球》持續(xù)創(chuàng)造票房紀(jì)錄。因?yàn)樗木贾谱?，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了觀眾對(duì)中國科幻電影的預(yù)期。不同于賀歲檔的其他大片，這是一部包含了眾多科學(xué)元素的燒腦大片，引發(fā)公眾的熱烈討論。

這部電影根據(jù)劉慈欣的同名小說所改編，講述了太陽即將毀滅，聯(lián)合政府決定將地球推離現(xiàn)有軌道來拯救人類的故事。此前，地球聯(lián)合政府發(fā)射了一個(gè)空間站為地球逃離太陽系導(dǎo)航。

這部電影里的很多情節(jié)讓人非常好奇，比如為地球流浪領(lǐng)航的太空站如何導(dǎo)航。未來，人類進(jìn)行更遠(yuǎn)的星際旅行時(shí)，還可能用到什么樣的導(dǎo)航系統(tǒng)？

要回答這些問題，先簡單回顧一下日常生活中人類是如何導(dǎo)航的。

一提到導(dǎo)航，人們很自然地就會(huì)想到手機(jī)里的各種導(dǎo)航軟件。它們都是利用導(dǎo)航衛(wèi)星來確定方位的。

手機(jī)軟件導(dǎo)航的工作原理簡單來說是這樣的：在地面之上約2萬公里的空間，有幾十個(gè)處于不同軌道的導(dǎo)航衛(wèi)星。每時(shí)每刻，這些衛(wèi)星都會(huì)發(fā)送特有的位置和時(shí)間信號(hào)，手機(jī)中的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)接收器可以接收到4個(gè)不同導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)，根據(jù)接收到的信號(hào)之間的差別，就可以算出手機(jī)所在的空間位置信息。

理論上，導(dǎo)航衛(wèi)星處于地面之上2萬公里的高空，只要在低于衛(wèi)星軌道的空間，都可以通過接收導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)來導(dǎo)航。目前，在地球上空運(yùn)行的國際空間站，離地面大約500公里，所以它的導(dǎo)航可以利用導(dǎo)航衛(wèi)星。

最早的導(dǎo)航衛(wèi)星是美國發(fā)射的24顆銥星。后來，一些國家為了突破美國的技術(shù)限制，也發(fā)射了自己的導(dǎo)航衛(wèi)星，組建了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，比如歐洲有伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)，中國有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

未來，如果人類有機(jī)會(huì)跨入到離地面2萬公里外的深空，就需要全新的導(dǎo)航系統(tǒng)。

空間導(dǎo)航的核心是在每一時(shí)刻，需要知道至少四個(gè)位置的參考源。根據(jù)眾多觀測結(jié)果，天文學(xué)家選用不同的穩(wěn)定天體源，提出了幾種可能的導(dǎo)航系統(tǒng)。

一種就是最近幾年談得比較多的脈沖星導(dǎo)航。

脈沖星就是我們極為熟悉的中子星，因?yàn)榇艠O方向能夠產(chǎn)生射電或者X射線輻射，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸和磁極不重合，而轉(zhuǎn)動(dòng)軸掃過地球的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生人類所看到的脈沖，因此被稱之為脈沖星。

某一些脈沖星轉(zhuǎn)動(dòng)速度特別快，轉(zhuǎn)動(dòng)周期可以達(dá)到毫秒量級(jí)。這些脈沖星的轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性非常好，可以比擬于地球上最好的原子鐘，所以脈沖星也時(shí)常被稱為宇宙間的原子鐘。

到目前為止，人類已經(jīng)找到了幾十個(gè)類似的脈沖星，分布在銀河系內(nèi)距離地球幾百光年到幾千光年的范圍。如果人類可以接收到它們的信號(hào)，并且已知它們位置的話，可以利用這些脈沖星進(jìn)行星際航行。

最近，美國NASA的一些工程師就利用國際空間站上的一個(gè)名叫NICER的天文設(shè)備對(duì)此想法進(jìn)行了驗(yàn)證。

NICER的英文全稱是Neutron-star Interior Composition Explorer，中文意思是中子星內(nèi)部組成探測器，這是安裝在空間站上隨空間站一起運(yùn)動(dòng)的探測設(shè)備，它的探測波段為X射線。

這些來自于NASA的工程師就利用這個(gè)設(shè)備在2017年對(duì)四個(gè)已知不同方位上的毫秒脈沖星進(jìn)行了監(jiān)測，通過上面類似的方式來計(jì)算空間站的位置。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比較導(dǎo)航衛(wèi)星的厘米誤差，這次實(shí)驗(yàn)所得到的誤差為將近16公里。

盡管如此，這次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了脈沖星導(dǎo)航的可行性。

還有一種很好的方法，就是利用恒星來導(dǎo)航。在2013發(fā)射的歐洲蓋亞衛(wèi)星（GAIA）就計(jì)劃對(duì)銀河系內(nèi)的10顆恒星的位置、恒星特征、距離以及運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行精確測量。

目前，科學(xué)家已經(jīng)得到了第一批結(jié)果，等到這個(gè)計(jì)劃的最終目標(biāo)實(shí)現(xiàn)之后，人類就會(huì)有一個(gè)很好的銀河系內(nèi)星圖，可以利用它來進(jìn)行導(dǎo)航。

或許對(duì)于接下來的銀河系內(nèi)的旅行，脈沖星和恒星導(dǎo)航已經(jīng)是綽綽有余，然而天文學(xué)家們想得更遠(yuǎn)，如果人類有機(jī)會(huì)邁出銀河系，進(jìn)入更遠(yuǎn)宇宙的時(shí)候，能用什么來導(dǎo)航呢？

銀河系內(nèi)的脈沖星有一定的問題，因?yàn)樗鼈円彩翘幱谶\(yùn)動(dòng)當(dāng)中，位置并非不變。如果星際旅行的時(shí)間很漫長，人類是否有更好的位置參考系統(tǒng)？

有些天文學(xué)家就提出，或許可以以那些遙遠(yuǎn)的某些星系作為參考，這些被選出來的天體就是天文學(xué)中常說的活動(dòng)星系核。

這些天體是星系中心的超大質(zhì)量黑洞所產(chǎn)生的噴流，因?yàn)檩椛浞浅Ｃ髁?，往往比星系本身的輻射還要強(qiáng)很多。因?yàn)橹行捏w積非常小，從遙遠(yuǎn)的地方去看，就像一個(gè)小點(diǎn)很難分辨，以至于在這類天體發(fā)現(xiàn)的最早期，最明亮的那一類被稱為“類星體”。

盡管這類星系也在空間運(yùn)動(dòng)，然而因?yàn)檫@些天體至少距離地球幾十億光年之外，看起來幾乎不動(dòng)，相比較上面提到的脈沖星位置上要穩(wěn)定很多。

法國的天文學(xué)家Charlot和他的團(tuán)隊(duì)在20世紀(jì)90年代末的時(shí)候選取了一些最致密和最穩(wěn)定的活動(dòng)星系核，建立了一個(gè)被稱之為國際天球參照系統(tǒng)。

經(jīng)過20余年的發(fā)展和不斷更新，這個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中從最早的包含了212個(gè)源，到現(xiàn)在遍布整個(gè)天空的300多個(gè)。這個(gè)系統(tǒng)或許也能夠成為人類以后進(jìn)行宇宙旅行所使用的導(dǎo)航系統(tǒng)。

現(xiàn)在，隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)現(xiàn)實(shí)的太空探索興趣在減少。劉慈欣在2018年克拉克想象力貢獻(xiàn)社會(huì)獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)獎(jiǎng)時(shí)曾說：“說好的星辰大海，你卻只給了我Facebook。”

不過，未來無論是地球附近的太空旅行，還是更遠(yuǎn)的星際旅行，都需要人類的共同努力和推動(dòng)。只有這樣，當(dāng)?shù)厍蛘娴拿媾R“流浪”危險(xiǎn)的時(shí)候，人類才真正能夠坦然相對(duì)。

科幻電影《流浪地球》引發(fā)的熱潮最終也會(huì)過去，但期望更多的中國人能夠在這部科幻電影的引導(dǎo)之下，多一些仰望星空的情懷，關(guān)注地球的未來。筆者還希望，更多的公眾關(guān)注和支持我國科學(xué)的發(fā)展，這是未來國家發(fā)展的動(dòng)力。

（作者：茍利軍，系中科院國家天文臺(tái)研究員、光明網(wǎng)特約科學(xué)顧問）