在空间站外部的一张NICER图片背景是空间站的太阳能电池板。来源:美国国家航空航天局
几个世纪以来，灯塔帮助水手安全航行到港口。他们的灯光掠过水面，穿透迷雾和黑暗，引导水手绕过危险的障碍物，使他们保持在正确的道路上。在未来，空间探索者可能会从脉冲星产生的稳定信号中得到类似的指导。
科学家和工程师们正在利用国际空间站开发基于脉冲星的导航系统，在NASA的阿尔忒弥斯计划(Artemis program)和未来的人类火星任务中，利用这些宇宙灯塔来辅助月球之旅的导航。
脉冲星:脉冲星或快速旋转的中子星它以明亮的窄光束发射x射线光子或辐射粒子，在恒星旋转时像灯塔一样扫过天空。图片来源:Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF
脉冲星，即快速旋转的中子星，是超新星爆炸后密度极高的恒星残骸。它们以明亮、狭窄的光束发射x射线光子，在恒星旋转时像灯塔一样扫过天空。从远处看，它们似乎在发出脉冲，因此被称为脉冲星。
空间站外部的x射线望远镜“中子星内部成分探测器”(NICER)收集来自中子星的x射线，并为其计时。被称为x射线计时和导航技术空间站探测器(Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology，简称SEXTANT)的软件正在利用脉冲星发出的信标创建一个类似gps的系统。这个概念，通常被称为XNAV，可以在整个太阳系和更远的地方提供自主导航。
“GPS使用精确同步的信号。来自一些中子星的脉冲非常稳定，从长期来看，有些甚至和地球原子钟一样稳定，这使得它们可能以类似的方式发挥作用，”马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心的研究员卢克·温特尼茨说。
脉冲的稳定性允许高度准确地预测它们到达太阳系任何参考点的时间。科学家们已经开发出详细的模型，可以精确地预测脉冲何时会到达，例如，地球中心。对脉冲到达航天器探测器的时间进行计时，并将其与预测的到达参考点的时间进行比较，为航行到地球以外的地方提供了信息。
“脉冲星提供的导航信息不会因为远离地球而退化，因为脉冲星分布在我们的银河系中，”六分仪团队成员Munther Hassouneh说，他是导航技术专家。
“它有效地把GPS中的‘G’从‘全球’变成了‘银河’，”团队成员杰森·米切尔补充道，他是NASA太空通信与导航项目先进通信与导航技术部门的主管。“它可以在太阳系的任何地方工作，甚至可以将机器人或载人系统带出太阳系。”
在射电波段也可以观测到脉冲星，但与无线电波不同的是，x射线不会被空间中的物质延迟。此外，x射线探测器可以比无线电天线更紧凑和更小。
但由于x射线脉冲非常微弱，系统必须足够强大，才能收集到足够的信号，以供导航。NICER的大收集区域使它几乎成为XNAV研究的理想选择。未来的XNAV系统可以更小，交易规模更长的收集时间。
想象一下，有一种技术可以让太空旅行者在星际间的距离上以每秒千兆字节的速度传输数据，或者利用旋转中子星发出的强大光束导航到火星或更远的地方。这个概念并不牵强。事实上，戈达德的天体物理学家基思·詹德罗和扎文·阿尔祖曼尼安计划在国际空间站上飞行一个多用途仪器，以证明两项开创性的导航和通信技术的可行性，并从同一个平台上收集揭示中子星中高密度物质物理的科学数据。图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心/里奇·梅尔尼克
米切尔说:“NICER的大小和洗衣机差不多，但是你可以大大减少它的大小和体积。”“例如，将XNAV望远镜安装到一个可以独立导航小行星带和描述原始太阳系天体的小卫星中会很有趣。”
在2018年发表的一篇论文中，SEXTANT已经成功演示了空间站上基于脉冲星的实时导航。它还研究了使用脉冲星进行计时和时钟同步，并正在帮助扩大脉冲星的目录，以用作XNAV的参考点。
六分仪团队还包括戈达德的Samuel Price、Sean Semper和Wayne Yu;海军研究实验室的伙伴保罗·雷和肯特·伍德;以及NICER首席研究员Keith Gendreau和科学负责人Zaven Arzoumanian。
该团队目前正在NASA的Gateway平台上研究XNAV自主导航技术，以支持载人火星任务。如果宇航员需要自己返回地球，他们也可能使用它来补充机载导航能力。
米切尔说:“捷威围绕月球的轨道大约为六天半，这将使我们能够更长时间地观察脉冲星。”“这就是贸易的来源;这个仪器就像一个桶，你要在桶里装满足够的x射线光子，来测量脉冲到达的时间。你可以有一个只有NICER几分之一大小的探测器。”
这类实验可以让宇宙灯塔引导宇宙飞船到达目的地，这离现实又近了一步。
