了解太空中目标天体的精确位置有多难?

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  在20世纪60年代的早期太空竞赛中,如果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际都不清楚火星、金星等行星的具体位置。这听起来有点可笑。当然,当宇宙飞船到达这些行星附近时,他们还是能大致知道目标会在哪里。但是,这里的“大致”可能意味着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化情况进行校准。但唯一合理的方法是直接测量,就像古代的水手需要沿着岛屿或海岸线航行,以便确定纬度和经度一样。

  关于这个问题,一个很不体面的例子发生在1961年初。从苏联发射金星1号(Venera 1)探测器开始,人类向金星发射探测器的计划便拉开了序幕。苏联和美国科学家都希望能最早确定金星的位置,并以此来精确计算天文单位——当时被定义为地球中心与太阳中心之间的平均距离。在地球上,可以通过测量从金星上反射的雷达信号来确定距离。几个月后,苏联人自豪地宣布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。美国人兴高采烈地嘲笑苏联人,说他们可能发现了一颗新的行星。

  回想起来,这台苏联探测器——原本计划在测距结果宣布的时候飞掠金星——之前已经经历了一系列的挫折,包括失败的热控制和姿态控制失灵。尽管它可能确实经过了金星附近的某个位置,但我们永远也无法确切知道它与该标记位置的距离,因为在那一点上,地球与探测器的所有通讯都停止了。

  错误认定金星的位置可能会带来灾难性的后果。金星1号探测器可能因为偏离太多而无法获得任何有用的数据,它也可能直接撞向行星,造成不光彩的坠毁。可以想见,在这些惨痛的教训之后,科学家们会多么努力地确定太阳系天体的位置,与之相关星历表也编制得越来越厚,越来越精确。然而,即使有了长足的进步,精确定位航天器及其行星目标所面临的基本问题仍未完全解决。在某种意义上,问题反而愈加尖锐。

  如今,位于美国加利福尼亚州的美国航空航天局(NASA)喷气推进实验室是星历表的主要编制机构之一,提供了精心编写并不断更新的数据,帮助我们确定行星、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索。然而,随着探索范围越来越远,我们的目标越来越新奇,我们所面临的挑战也越来越大。

  已经有机构在草拟一项雄心勃勃的计划,希望利用强大的激光,推动带有轻型帆的微型“纳米飞船”(nanocraft),一路航行到南门二(半人马座α)恒星系统。该系统距离地球超过4光年,如果以20%的光速(约每小时2.16亿公里)前进,需要花费至少20年的时间。在正确的时间到达另一个恒星系统的正确位置,这个问题远比到达遥远的太阳系边缘星球(如冥王星)复杂得多,虽然前往冥王星就已经够困难的了。

  2006年,NASA的“新视野号”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(在木星引力帮助下),飞行距离近50亿公里。利用地球上的望远镜观测,以及对冥王星的轨道运动进行精细的计算机模拟,我们可以确定该探测器在天空中的位置,精确度可达约0.00014度角。然而,冥王星太过遥远,如此微小的不确定性也会导致约13000公里的位置误差,足以严重阻碍近距离飞掠任务。更加复杂的是,新视野号在轨道上经历了难以预测的漂移,这是钚发电机产生的不均匀热辐射所导致的。

  新视野号终于在2015年7月与冥王星相遇,这让那些在发射之后等待了相当长一段时间的科学家们松了一口气。它以12500公里的距离飞掠冥王星。最后,为了快速掠过冥王星及其卫星,新视野号在接近正确路径的任何地方都要进行细致的位置测量,并使用探测器自带的相机进行航向修正。这一过程需要极大的耐心。

  现在,让我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运动。不过,每秒0.01公里的最小有效数字,意味着在为期20年、600多万公里的任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、比较容易研究的天体,而恒星系统中的行星亮度会下降10亿倍,其位置也更加难以确定。与新视野号一样,星际探测器很可能不得不随时跟踪自己的目标,并且必须自主完成,因为与地球的来回通信就需要数年的时间。

  至于微型航天器能否携带必要的计算工具,或者是否具备追踪目标所需的感知和操纵能力,还有待观察。明亮的恒星本身可能就是最好的标记,可以和太阳一起作为导航灯塔。从激光二极管发射的微弱脉冲可以提供调整方向的推力,但更关键的是,数百甚至数千台具有人工智能的纳米飞船在发射之后,每一台都具有相互学习的能力,或许可以通过大规模冗余和牺牲多数来达到时间和空间目标。然而,当你试图用一颗子弹去拦截另一颗飞来的子弹——无论是恒星还是行星——时,差错可能是在所难免的。

  不难发现,在数千或数百万公里的范围内,位置的不确定性可能会给太空探险者带来麻烦。但奇怪的是,绕轨道运行的恒星和行星具有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,并且可以毫不含糊地决定整个系统的生存。究其根源,在于引力物体之间的动力混乱现象,以及混乱但数学上可绘制的不稳定性,还有天体运动的不可预测性。尽管科学家自19世纪80年代就发现了混沌现象,但直到20世纪80年代,研究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运动。这些模拟揭示了我们生活在一个多么混乱的空间中。

  结果表明,如果在数千万年到数十亿年的时间里追踪太阳系内物体的运动,诸如水星这样的行星位置出现毫米级的变化,也会产生很大的影响:未来的轨道可能相对平淡无奇,但也可能使内太阳系变得不稳定,行星被甩向太阳,或者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。

  如此微小的变化会导致如此截然不同的结果,这让许多希望世界具有某种可预测性的人无法接受。这就说到了人类作为一个物种,似乎一直在努力想要做到的一些事情。我们很希望所谓的现实是固定不变的,或者至少不是变幻莫测的。但现实很少如此。

  在将航天器发射到其他行星,甚至其他恒星的过程中,我们别无选择,只能承认目前的这种不精确性。现实就是如此残酷,我们对外太空的了解太有限了。甚至自然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处理——后者是通过人脑和人脑开发的机器来“测量”的。令人惊奇的是,这些定律能够很好地模拟和预测物理世界的各个方面,几千年来一直在帮助我们,并使我们感到安心。今天,我们似乎已经设法扭转了这个问题,可以预测自然中可能发生的各种混沌,从不稳定的天气条件到不稳定的股票市场,当然还有行星。

  这就是为什么诚实面对局限性是一件美好的事情,因为我们能因此找到跨越空间、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掌握金星和其他行星的位置,他们甚至都没有意识到,自己在某些方面已经成为先驱。他们不仅是在穿越虚无的太空,试图确定几乎不可能定位的天体,更是在认识现实本身的根本性质。(任天)

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