幾個世紀以來，燈塔幫助水手安全地駛入港口。他們的燈光掠過水麪，穿越霧氣和黑暗，引導水手繞過危險的障礙物，並保持正確的道路。未來，太空探索者可能會從脈衝星產生的穩定信號中獲得類似的指導。

科學家和工程師正在利用國際空間站，利用這些宇宙燈塔開發基於脈衝星的導航，以協助在NASA的Artemis計劃下進行的登月之旅以及未來人類對火星的探路。

脈衝星或快速旋轉的中子星是爆炸成超新星的恆星的極致殘骸。它們發出明亮的窄光束X射線光子，就像星星旋轉時的燈塔一樣掃過天空。從很遠的距離看，它們似乎在搏動，因此被稱爲脈衝星。

空間站外部的X射線望遠鏡，即中子星內部成分瀏覽器或NICER，收集並標記來自中子星穿過天空的X射線光的到達時間和時間戳。NICER中嵌入的軟件被稱爲X射線定時和導航技術或SEXTANT的Station Explorer，它使用脈衝星發出的信標來創建類似GPS的系統。這個概念，通常稱爲XNAV，可以在整個太陽系內外提供自主導航。

“ GPS使用精確同步的信號。來自某些中子星的脈動非常穩定，從長遠來看，甚至與地面原子鐘一樣穩定，這使它們具有類似的潛在用途。”位於馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達德太空飛行中心研究員盧克·溫特尼茲（Luke Winternitz）說。

脈衝的穩定性允許對它們到達太陽系中任何參考點的時間進行高度準確的預測。科學家已經開發出詳細的模型，可以精確地預測脈衝何時到達例如地球中心。對脈衝到達航天器上的探測器的時間進行計時，並將其與預計到達參考點的時間進行比較，從而爲遠航過我們的星球提供了信息。

“脈衝星提供的導航信息不會因爲遠離地球而降低，因爲脈衝星分佈在我們銀河系的整個星系中，”導航技術專家SEXTANT團隊成員Munther Hassouneh說。

NASA太空通信與導航計劃高級通信與導航技術部總監Jason Mitchell補充說：“它有效地將GPS的“ G”從全球變成了銀河。” “它可以在太陽系中的任何地方工作，甚至可以將機器人或載人系統帶到太陽系之外。”

在無線電波段也可以觀測到脈衝星，但與無線電波不同，X射線不會受到太空物質的延遲。此外，用於X射線的檢測器可以比無線電天線更緊湊，更小。

但是，由於X射線脈衝非常微弱，因此係統必須足夠堅固以收集足以進行導航的信號。NICER的大型收集區域使其非常適合XNAV研究。未來的XNAV系統可以做得更小，交易規模更大，以縮短收集時間。

想象一下一項技術，該技術將使太空旅行者能夠在行星際距離上每秒傳輸千兆字節的數據，或者使用旋轉的中子星發出的強大光束導航到火星以及其他地方。這個概念並不牽強。實際上，戈達德天體物理學家Keith Gendreau和Zaven Arzoumanian計劃在國際空間站上飛行一臺多功能儀器，以展示兩種突破性的導航和通信技術的可行性，並在同一平臺上收集揭示稠密物質物理學的科學數據。在中子星中。圖片提供：NASA的戈達德太空飛行中心/ Rich Melnick

米切爾說：“ NICER的大小大約相當於一臺洗衣機，但是您可以大大減小其尺寸和體積。” “例如，將XNAV望遠鏡安裝到小型衛星中會很有趣，該衛星可以獨立地導航小行星帶並表徵原始的太陽系物體。”

正如2018年發表的論文一樣，SEXTANT已經成功展示了空間站上基於脈衝星的實時導航。它還研究了脈衝星在計時和時鐘同步方面的使用，並正在幫助擴大脈衝星的目錄，以用作XNAV的參考點。

SEXTANT團隊還包括Goddard的Samuel Price，Sean Semper和Wayne Yu；海軍研究實驗室的合作伙伴Paul Ray和Kent Wood；NICER首席研究員Keith Gendreau和科學負責人Zaven Arzoumanian。

該團隊目前正在研究NASA網關平臺上的XNAV自主導航，以此作爲支持載人火星任務的技術。宇航員還可能需要使用它來補充車載導航功能，如果他們需要自己將其返回地球。

米切爾說：“網關繞月球繞軌道運行了大約六個半天，這使我們凝視脈衝星的時間更長。” “這就是交易的來源；儀器就像一個水桶，您在該水桶中填充了足夠的X射線光子，以生成該脈衝何時到達的測量值。您可能需要一個僅相當於NICER大小的探測器。”

這些類型的實驗可能會帶來宇宙燈塔，將航天器引導到目的地，這距離現實又邁出了一步。