NASA嘗試用X射線承載深空通信：呼叫外星人

今年春天，國(guó)際空間站（ISS）將發(fā)射第一個(gè)x射線通信信號(hào)?？臻g站里的宇航員會(huì)在第一時(shí)間獲悉此次試驗(yàn)是否成功，該空間站同樣是信號(hào)的接收器。這次原理驗(yàn)證試驗(yàn)，僅在ISS上劃定的50米范圍內(nèi)進(jìn)行，這可能是未來(lái)空間通信的一個(gè)重要標(biāo)志。

根據(jù)NASA的初步計(jì)算，x射線通信(XCOM)可以在太陽(yáng)系產(chǎn)生每秒千兆比特的數(shù)據(jù)速率。

NASA戈達(dá)德航天飛行中心位于馬里蘭州，該機(jī)構(gòu)任務(wù)工程部的技術(shù)助理負(fù)責(zé)人Jason Mitchell表示：“下一代通信最大的前景在于將x射線運(yùn)用到深空通信。這樣甚至可以聯(lián)系上太陽(yáng)系之外的外行星?！敝灰隳軠?zhǔn)確地瞄準(zhǔn)x射線源(這可沒(méi)那么簡(jiǎn)單)，x射線就能保持高度聚焦，并且保持低能量預(yù)算，為未來(lái)行星或行星外任務(wù)的深空通信提供保障。

Mitchell說(shuō)，舉個(gè)例子，一個(gè)餐盤(pán)大小的激光通信光束從近地軌道(距地球2000公里)射出，當(dāng)它到達(dá)地球同步軌道(距地球表面42000公里)時(shí)，它的光束會(huì)擴(kuò)散成足球場(chǎng)那么大。相比之下，x射線信號(hào)的光束大小幾乎沒(méi)有變寬。

換句話說(shuō)，XCOM的聚焦強(qiáng)度將是激光束的1000倍。她接著補(bǔ)充道：“這才是真正的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，這對(duì)信息安全至關(guān)重要?！?/p>

x射線還能穿透無(wú)線電波或微波無(wú)法穿透的地方。例如，當(dāng)航天器重新進(jìn)入地球大氣層時(shí)，射頻噪聲使其無(wú)法通過(guò)常規(guī)的無(wú)線電頻道與地面通信。(想想電影《阿波羅13號(hào)》中那段緊張的橋段，當(dāng)時(shí)通訊中斷，任務(wù)控制中心不知道舉步維艱的宇宙飛船是否在重返大氣層后幸存)。

NASA戈達(dá)德太空物理學(xué)家Keith Gendreau說(shuō)，即使是在阿波羅計(jì)劃時(shí)期，NASA的工程師們也在構(gòu)思創(chuàng)建宇宙飛船的x射線通信系統(tǒng)，讓飛船的通訊在重返地球的過(guò)程中不會(huì)間斷?！爱?dāng)時(shí)，科學(xué)家們考慮使用真正傳統(tǒng)的熱絲x射線源，”Gendreau說(shuō)，“顯然，他們從來(lái)沒(méi)有這樣做過(guò)，因?yàn)檫@樣事倍功半?！?/p>

今年春天將進(jìn)行測(cè)試的套件，是所謂的調(diào)制x射線源(MXS)。這組套件運(yùn)用了一種擁有新用途的舊技術(shù)。Gendreau說(shuō)：“我們不想發(fā)射像醫(yī)用x光管那樣的x射線源，而是利用光電驅(qū)動(dòng)的x射線源。這正是愛(ài)因斯坦獲得諾貝爾獎(jiǎng)的原因。它的存在并不是為了證明相對(duì)論，而是為了解釋光電效應(yīng)?！?/p>

MXS將于4月底登上ISS，這只是一系列實(shí)驗(yàn)的其中一步。在x射線信號(hào)的接收端，是一個(gè)于2017年安裝的一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置—;—;中子星內(nèi)部成分探測(cè)器（NICER）。NICER目前正在觀測(cè)脈沖星發(fā)出的x射線信號(hào)，觀測(cè)到的信息會(huì)用于發(fā)展基礎(chǔ)科學(xué)，以及探索可以作為航天導(dǎo)航信標(biāo)的、脈沖星所發(fā)出的x射線信號(hào)的其他用途。

更巧的是，Gendreau最早提出了讓目前的XCOM系統(tǒng)作為軌道上超精密定位器的一部分，這個(gè)定位器可以被一些試圖成像銀河系黑洞的宇宙飛船所使用，比如天鵝座X-1。Gendreau說(shuō)，開(kāi)發(fā)用于未來(lái)任務(wù)部署的XCOM技術(shù)并不需要超出現(xiàn)有技術(shù)的飛躍。他說(shuō)：“如果你開(kāi)始投入資源，并且有一些人對(duì)此感興趣，那么，這件事的實(shí)現(xiàn)就不會(huì)那么遙遠(yuǎn)了。”

他還表示，“衍射限制光學(xué)讓你的iPhone晶體管變得越來(lái)越小，這件事完全是有可能的，因?yàn)橐呀?jīng)有數(shù)十億美元投資于制造那些衍射受限的紫外光學(xué)器件?！彼f(shuō)，為實(shí)際的深空通信擴(kuò)展一個(gè)XCOM系統(tǒng)，可能需要一個(gè)類似MXS的發(fā)射機(jī)、一個(gè)類似NICER的接收器、額外的光學(xué)設(shè)備，以及一個(gè)超精確的指向系統(tǒng)。Gendreau說(shuō)：“這才是工程。”

從近年來(lái)在XCOM系統(tǒng)上發(fā)表的文章數(shù)量來(lái)判斷，中國(guó)的研究人員在該領(lǐng)域似乎也很活躍。即將出版的新書(shū)《太空中的大國(guó)》(Great Powers in space)的作者、戰(zhàn)略分析師Namrata Goswami說(shuō)， NASA發(fā)現(xiàn)中國(guó)獨(dú)立開(kāi)發(fā)如此有前景的太空通信技術(shù)不應(yīng)感到驚訝。Goswami說(shuō):“今年早些時(shí)候，中國(guó)已經(jīng)成為世界上第一個(gè)建立試驗(yàn)性天基太陽(yáng)能電站(SBSP)的國(guó)家，電站地點(diǎn)在重慶。

因此，中國(guó)在x射線深空通信方面的投資似乎與過(guò)去幾年中國(guó)在其他方面的投資步調(diào)一致?！?/p>