关掉GPS让黑洞为宇宙旅行导航！

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　　忘掉GPS吧。如果我们要在宇宙中巡游，数十亿光年之外的黑洞可为我们提供导航。

　　飞船在太空中航行，导航是个问题。因为使用地球轨道卫星网络组建的GPS导航系统，在远离地球的地方已派不上用场。你要是在飞往一颗遥远星球的途中仅仅转错一个弯，重返航线的机会就十分渺茫。你需要某种形式的星际导航系统，帮助你认清自己的位置。

　　为了完成这项任务，天文学家把目光投向了数十亿光年之外的一些最特别的天体：类星体。类星体是宇宙中最明亮的一类天体，它们不仅可以精确地将我们引向遥远的星球，还能帮助我们更多地了解地球自身。

　　地球、恒星都不是最好的参照系

　　众所周知，要确定一个物体的位置，我们需要建立一个坐标系作为参照。地球有它自己的坐标系，此即由经线和纬线组成的网格。它可以精确地指出地表任何物体相对于格林威治子午线和赤道的位置。倘若再把离地心的距离作为第三个坐标，还可精确定位地表之上的飞机、云层和卫星。

　　将这个参照系进一步延伸到宇宙空间当然是可能的(就像一条射线一样，随便什么参照系都可以任意延伸)。但存在一个问题，因为这个参照系随同地球一起自转和公转，所以离开地球系统的天体，每时每刻都在改变其纬度和经度。如假设一颗天体在我们地球北纬20°、东经110°上空，即大约在海南省海口市上空，如果地球没有公转和自转，6小时后这颗天体按自己的运动速度，应该向西运动到北纬20°、东经95°上空，即大约在缅甸首都内比都上空。但在这个时间里，地球向东自转了90°(不考虑地球的公转，单考虑地球的自转)，那这颗天体实际就会出现在北纬20°、东经5°上空，即大约在非洲阿尔及利亚最南端的上空。这样算下来，这颗天体运动的速度是原来的7倍。所以你按此去算它们在这个参照系中移动的速度，会得到非常荒谬的结果：比如离太阳系最近的恒星比邻星(半人马座α)，正以几千倍于光的速度在飞行!

　　

　　为什么会出现如此荒谬的结果呢?因为天体相对我们的运动速度=天体相对地球运动的角速度×天体离我们的距离。现在，由于地球的自转，离我们的距离越远，天体相对我们的运动速度就越快。而宇宙中遥远天体离开地球动辄就是几光年以上，所以算出“超光速”是很寻常的。但这样算出来的结果显然不能反映物体的真实运动。

　　显然，在星际导航，我们需要一个相对静止不动的参照系。什么东西在天空中是相对不动的呢?对，遥远的恒星!直到20世纪末，天文学家一直都把他们的参照系建立在一些遥远的恒星上，以这些恒星的位置作为参照点。一个站在地球上的观察者，可以测量比如说一颗彗星和一颗参照恒星之间的角度，从而给出彗星在天空中的坐标。不久之前一直在沿用的这个参照系，使用了超过1500颗恒星来标记天空。

　　但即使这样也有缺点。恒星的位置不是完全固定不动的，它们在天空中也在缓慢移动。虽然这点运动一般情况下影响不大，但仍然要导致角度几百万分之一度左右的误差。

　　以地月距离算，这个误差是几米。对于执行月球任务影响还不算大。以地球至火星的距离算，误差在1千米左右。这对于执行火星任务就有一定的影响了。距离越长，影响越大。

　　理想的参照点——类星体

　　现在，彻底改革的时机已经成熟!自1990年代以来，天文学家不再依赖几百光年之外的恒星，而是把目光投向了几十亿光年以外的地方。因为一个天体离我们越遥远，它在天空中的位置看起来就越固定，这使得它们成为理想的参照点。

　　但是它们必须足够明亮，从地球上看也清晰可见。而宇宙中什么是最明亮的呢?类星体!类星体是物质落入超大质量黑洞之前，因剧烈摩擦而发出辐射的地方。使用类星体做标记的另一个好处是：超大质量黑洞往往处于星系的中心，质量动辄是太阳的数十亿倍，它们一般稳如磐石，不会轻易因偶然的碰撞而离开原地。

　　

　　尽管类星体能发出可见光，但就目前人类的技术而言，似乎利用它们发射的无线电波来定位更精确。这是因为要精确定位类星体的位置，需要分布全球的多个望远镜合作。可见光因波长短，更容易被空间的障碍物阻挡，所以类星体的可见光很难同时让全球多个望远镜接收到，而无线电波因波长长，就不存在这个问题。

　　所以，现在天文学家利用一种叫做“甚长基线干涉(VLBI)”的技术，让全球范围的射电望远镜在同一时间聚焦于同一个类星体射电源。这些射电望远镜都能接收到相同的无线电信号，但因为所处地点不同，观测时相对类星体的角度也不同，所以接收到的信号在时间上有先后，这叫“时间延迟”。根据这个时间延迟就可以定位该类星体的位置。天文家目前可以把时间延迟测量到10皮秒(1皮秒=10-12秒)。

　　迄今最精确的宇宙导航参照系

　　1998年，法国波尔多大学的帕特里克·夏洛特和他的团队发布了新的参照系——国际天体参照系(ICRF-1)。在2009年经过一次大修正之后，升级为ICRF-2。2018年，再次升级为ICRF-3。

　　新版的ICRF-3选用了303个类星体作为参照点，而且全部选自亮度最稳定、位置测量迄今最精确的类星体源。这些类星体的角定位平均精确到约30微弧秒，或八十亿分之一度。为了让你对此有个印象，不妨打个比方：这个精度相当于能从1万米远的飞机上辨认出一个细菌。

　　为了方便使用，ICRF-3参照系的中心设置在太阳系的质心。太阳系中所有的天体，包括行星、卫星甚至太阳，都绕着这个质心运动。该参照系的南北方向被选择为平行于地球自转轴，以便于跟地球上的南北含义保持一致，但考虑到地球自转轴方向也会随着时间有微小变化，所以又特别指定是地球自转轴在2000年1月1日所指的方向。

　　

　　除了主要的那303个类星体，ICRF-3还包括了分布在全天区的其他大约4000个类星体，它们也可用作导航的参考点，尽管比起那303个类星体，它们的可信度要稍差一点。这样，ICRF-3就把全天区都覆盖了，可做全方位导航。

　　有了这样一个宇宙导航系统，天文学家可以通过观察航天器相对于某个就近类星体的角度位置，来及时发觉并纠正任何偏离计划航线的偏差。

　　帮助我们了解地球自身

　　更令人惊讶的是，ICRF参照系也正在地球上投入使用。通过它我们可以非常精确地测量地球在太空中的方位。地球在24小时内的自转不是绝对均匀的，因为各种激烈的大气运动和地质运动也会对地球自转的速度产生轻微的影响。通过测量地球相对于ICRF的自转速度，跟踪这些自转速度的变化，可以让我们知道何时需要将闰秒插入国际标准时间中，以确保我们的时钟与地球自转同步。

　　精确地测量地球自转的变化，还能告诉我们很多事情。比如，根据激烈的大气运动和地质运动情况，结合地球自转速度的细微变化，可以用来验证各种气候模型和地球构造模型。

　　地球自转的变化还会影响到GPS和其他卫星导航系统。这些系统是用精度极高的原子钟来校准，让所有卫星上的时间保持同步的。但时间同步实现之后，又产生了新问题。GPS要定位的是随地球一起运动的物体，而由于原子时间不受天气变化和地球内部运动的影响，结果在原子钟显示的时间里，地球应该转动到的位置与实际位置有细微的差别。所以GPS的定位经常会跟地球上的真实经度线稍有出入。只要几天下来，误差就能积累到几厘米。这点误差对于普通司机或徒步旅行者当然没事，但是对于地球科学家却不可忽略，所以卫星导航系统会不时地用“甚长基线干涉”的新测量值重新校准。

　　ICRF还能帮助我们测量地球板块的缓慢运动。不同大陆上的两个望远镜接收到的类星体信号，在时间上会有一个延迟，而且时间延迟随着板块的漂移而变化，所以时间延迟的变化可以反映出板块漂移的变化。

　　看不见的黑洞竟制造了太空中精确的导航参照系，黑洞对我们有这么大的用处，这恐怕是你想不到的吧!

　　小贴士：甚长基线干涉技术

　　这项技术涉及的数学问题其实就是：一个三角形△ABC，知道B、C两个顶点的位置(地面两个望远镜所在)及BC长，又知道另两条边的差(AC-AB)，求第三个顶点A的位置。这个A点不是唯一的，在几何学上，所有满足条件的点组成了一条双曲线的半支。

　　然后又有一个三角形△ABD，知道B、D两个顶点的位置(地面两个望远镜所在)及BD长，又知道另两条边的差(AD-AB)，求第三个顶点A的位置。这个A点同样不是唯一的，所有满足条件的点组成了另一条双曲线的半支。

　　两条双曲线(半支)的交点，就唯一地确定了A点(类星体)的位置。

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