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NASA尝试用X射线承载深空通信:呼叫外星人

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  今年春天,国际空间站(ISS)将发射第一个x射线通信信号。空间站里的宇航员会在第一时间获悉此次试验是否成功,该空间站同样是信号的接收器。这次原理验证试验,仅在ISS上划定的50米范围内进行,这可能是未来空间通信的一个重要标志。

  根据NASA的初步计算,x射线通信(XCOM)可以在太阳系产生每秒千兆比特的数据速率。

  NASA戈达德航天飞行中心位于马里兰州,该机构任务工程部的技术助理负责人Jason Mitchell表示:“下一代通信的前景在于将x射线运用到深空通信。这样甚至可以联系上太阳系之外的外行星。”只要你能准确地瞄准x射线源(这可没那么简单),x射线就能保持高度聚焦,并且保持低能量预算,为未来行星或行星外任务的深空通信提供保障。

  Mitchell说,举个例子,一个餐盘大小的激光通信光束从近地轨道(距地球2000公里)射出,当它到达地球同步轨道(距地球表面42000公里)时,它的光束会扩散成足球场那么大。相比之下,x射线信号的光束大小几乎没有变宽。

  换句话说,XCOM的聚焦强度将是激光束的1000倍。她接着补充道:“这才是真正的点对点通信,这对信息安全至关重要。”

  x射线还能穿透无线电波或微波无法穿透的地方。例如,当航天器重新进入地球大气层时,射频噪声使其无法通过常规的无线电频道与地面通信。(想想电影《阿波罗13号》中那段紧张的桥段,当时通讯中断,任务控制中心不知道举步维艰的宇宙飞船是否在重返大气层后幸存)。

  NASA戈达德太空物理学家Keith Gendreau说,即使是在阿波罗计划时期,NASA的工程师们也在构思创建宇宙飞船的x射线通信系统,让飞船的通讯在重返地球的过程中不会间断。“当时,科学家们考虑使用真正传统的热丝x射线源,”Gendreau说,“显然,他们从来没有这样做过,因为这样事倍功半。”

  今年春天将进行测试的套件,是所谓的调制x射线源(MXS)。这组套件运用了一种拥有新用途的旧技术。Gendreau说:“我们不想发射像医用x光管那样的x射线源,而是利用光电驱动的x射线源。这正是爱因斯坦获得诺贝尔奖的原因。它的存在并不是为了证明相对论,而是为了解释光电效应。”

  MXS将于4月底登上ISS,这只是一系列实验的其中一步。在x射线信号的接收端,是一个于2017年安装的一个实验装置——中子星内部成分探测器(NICER)。NICER目前正在观测脉冲星发出的x射线信号,观测到的信息会用于发展基础科学,以及探索可以作为航天导航信标的、脉冲星所发出的x射线信号的其他用途。

  更巧的是,Gendreau最早提出了让目前的XCOM系统作为轨道上超精密定位器的一部分,这个定位器可以被一些试图成像银河系黑洞的宇宙飞船所使用,比如天鹅座X-1。Gendreau说,开发用于未来任务部署的XCOM技术并不需要超出现有技术的飞跃。他说:“如果你开始投入资源,并且有一些人对此感兴趣,那么,这件事的实现就不会那么遥远了。”

  他还表示,“衍射限制光学让你的iPhone晶体管变得越来越小,这件事完全是有可能的,因为已经有数十亿美元投资于制造那些衍射受限的紫外光学器件。”他说,为实际的深空通信扩展一个XCOM系统,可能需要一个类似MXS的发射机、一个类似NICER的接收器、额外的光学设备,以及一个超的指向系统。Gendreau说:“这才是工程。”

  从近年来在XCOM系统上发表的文章数量来判断,中国的研究人员在该领域似乎也很活跃。即将出版的新书《太空中的大国》(Great Powers in space)的作者、战略分析师Namrata Goswami说, NASA发现中国独立开发如此有前景的太空通信技术不应感到惊讶。Goswami说:“今年早些时候,中国已经成为世界上第一个建立试验性天基太阳能电站(SBSP)的国家,电站地点在重庆。

  因此,中国在x射线深空通信方面的投资似乎与过去几年中国在其他方面的投资步调一致。”

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