怎么快速在宇宙中定位地球?至少需要什么技术水平?
假如一个人突然穿越到有星际航行能力的外星生物身上,宇宙这么大,地球那片区域很可能没在外星文明的星图里,人类能观测到的一些星际结构跟外星生物的命名也不一样,更何况...
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你要有一架巡天望远镜(包括后续的数据处理技术)、一台计算能力超强的计算机、具有空间跳跃能力的飞船、档案星图和星表(包含河外星系和银河系中球状星团、造父变星等参照物的银道坐标)。
如果你还处在本星系群内,那你还是能很快地找到银河系,因为本星系群里就仙女座大星系和银河系俩大伙计。那么就直接假定你在银河系好了。
现在,你需要定位自己在银河系中的位置。
第一步,利用望远镜进行全天巡天。这就需要望远镜视场大,比如ZTF[1]或者LSST[2]这种,能够在几天内巡一遍天(全天四万平方度天区)。
这里要注意两个问题。第一是望远镜的位置。如果望远镜放在行星表面,那么最好放在赤道,这样就可以进行全天巡天。作为对比,ZTF在北半球,巡的是北天;LSST在南半球,巡的是南天。第二是昼夜的问题。如果该行星也围绕恒星运动,那么无法观测到面向恒星一侧的星空,只有转到恒星另一侧时,才能看到另一半夜空。那么,建议你在对面也找一颗行星安装个望远镜,这样同时观测,几天就可以完成巡天了。当然,按照题面外星人的实力,完全可以发射空间望远镜,那么这俩问题就都不是问题了。
关键要看外星人的基建速度了。
8.4米LSST望远镜的设计图,来自网络 第二步,进行数据处理,生成星图和星表。望远镜每曝光一次,观测数据自动传输到数据处理系统,一方面对拍摄的天体进行位置定标,同时生成可视化的图像;另一方面对恒星进行的简单的测光,得到恒星的亮度。最终,你可以得到一个庞大的天体位置和亮度的星表和星图。
“哇”,你惊叹了一声。电脑生成的星空三维投影缓缓转动着。你看到一个硕大的圆球位于星系的中心,一条粗棒状的结构穿过核球,几条旋臂如同章鱼的触手一圈圈伸展出去。原来你现在是在银晕里。
银河系假想图,来自网络 你不禁感叹自己的好运,还好这个外星人不在银心或球状星团里。那里的恒星密密麻麻,完全掩盖了外面天体的光芒,也就无法进行定位。那里还可能隐藏着无数黑洞巨兽,血口獠牙,等待着落入陷阱的猎物。
而且,观测到银心是一件大幸事,因为有了一个非常棒的参照物。太阳在哪里呢?就位于距离银心2.6万光年的那一圈。
第三步,利用河外星系重建银道坐标系。只要身在银河系内,无论哪个位置,观测到的河外星系的形状是差不多的。所以要是能观测到几个河外星系,与已有的河外星系表进行对比,就能利用多个点进行定位。
你用python写的图像识别程序开始运行,两个显著的天体——大小麦哲伦星云——很快被辨认出来。它们是银河系的卫星星系,明亮而且形状不规则,就像一团模糊的云气。即便用肉眼,也可以很快将它们挑选出来。
那么也就是说,你在银河系的“下方”。当然,这个是按照天文学家对银道坐标系的定义设定的,就像地球有北纬和南纬一样。所以,如果你没有看到大小麦哲伦星云,就很可能位于银河系的“上方”。
在与麦哲伦星系银纬相同的纬圈上,与这俩小星系几乎相对的地方,你看到了和银河系近邻的巨大漩涡星系。“没错,就是它!”你把仙女座大星系M31也标了出来。接着,就是与仙女座星系相邻的大风车M33。
仙女座大星系M31,来自网络 除了辨认出的四个星系,加上银河系中心,你已经有了五个参考点。原则上,你已经能够利用它们的位置,推导出自己位于银河系的坐标。不过你还是想多寻找几个星系,毕竟,参考点越多,算出的位置会越精确。
你又在M31的附近找了两个非常明亮又比较大的亮点,这是M31的卫星星系M32和NGC 205。你记得天文学家说几百万年前M32曾经穿越M31的盘面,留下一个“死地”般的空洞,但那空洞周围却成为恒星形成剧烈的区域,分布着无数新生的年轻天体。这就是所谓的涅槃重生吧。
然后程序又找到了NGC 6822。这个星系的形状很奇怪,像一个长方形,距离地球有150万光年。“NGC 185,塞弗特II型星系。”这是一类星系核极亮的活动星系,核心的超大质量黑洞如同饕餮巨兽,永不满足地吞噬着周围的一切。
这些星系都是M31的卫星星系。为了避免由于一个方向的星系数目过多而造成系统性定位偏差,你又重点在其它几个方向找了一些还算明亮的星系。
档案星表里详细记录了这些参考星系位于银道坐标系中的坐标,结合目前观测中它们所处的位置,你回推了银道坐标系的银经零点、银纬零点,重建了银道坐标系,算出了自己在银河系中的银经、银纬坐标。
第四步,利用球状星团完善银道坐标系。此步需要具备一定的星族合成知识,如果知识储备不足可跳过。
通过星空三维投影,你发现银晕里有一些巨大的恒星集合体——球状星团——随意散布着,如同宝石箱一样璀璨发光。
球状星团里面可能有数十万到百万级别的恒星。银河系内只有不到两百个球状星团,因此,只要能在找出天空中找到多个球状星团,并且辨认出它们,就可以知道自己所处的位置。
但辨认并不是一个简单工作。所有的球状星团都是球形,看上去模样差不多。这种方法的关键在于:每个球状星团的年龄是不同的。需要借助理论模型,拟合观测数据,通过得到的年龄辨别各个球状星团。所以,如果你已知了这些星团的年龄(比如,你的电脑里有对银河系球状星团测龄的文献),那么你就知道每个星团的身份了。
球状星团年龄拟合,来自网络 如果你是一个研究球状星团的专家,你还会知道虽然它们都是球状,每个星团从内往外的亮度分布其实是不一样的。比如,我们来定义一个半光度半径,也就是说在这个半径以内,星团的亮度占星团总亮度的一半。所以只要你知道每个星团的半光度半径,那么你就知道面前的是哪一个星团。
利用档案星表里这些星团的位置,你就能进一步对银道坐标系进行更精确的重建。具体步骤同第三步。
第五步,利用“标准烛光”恒星进行位置定标。
你现在虽然知道了自己的位置(银经、银纬),但你现在仍然无法回家,因为你只是知道了相对位置,还缺少一个参量,就是距离。在球坐标系里,只要再测出自己与银心的距离,就可以知道自己在银河系中所处的绝对位置。
这个时候,造父变星就可以派上用场了。这些所谓“标准烛光”的恒星,由于自身周期性的膨胀收缩,导致了周期性的亮度变化。而它们的绝对亮度与光变周期有很好的线性关系,光变周期越长,恒星越亮。只要测量出星等变化的周期,就可以得到它们的绝对亮度,从而结合观测亮度求出自己与这些恒星的距离。
造父变星周光关系,来自网络 由于银道坐标系已经被重建,就可以匹配那些资料中已知的造父变星。
你写的程序太棒了!电脑仅仅运行了几秒钟,就在档案星表中匹配到了数百颗造父变星。这些造父变星,到地球的距离已知,到你现在的距离也已知。你不仅算出了自己到银心的距离,还成功得到了自己到地球的距离。
结果显示,你目前距离银心大约1.3万光年,位于银盘上方大约1.1万光年。距离地球大约2.25万光年。
第六步,空间跳跃。
你开始感谢那个外星人,幸亏他们一族已经掌握了星际航行技术,如果自己是穿越到一只草履虫身上,一辈子也只能在宇宙中游泳了。
你站起身,长呼几口气,好了,可以跳跃了。你调整飞船的姿态,让飞船的头部指向太阳系所处的位置。
“太阳保佑,地球保佑,金木水火土五大行星保佑……”你不停念叨着,然后把地球的坐标和距离输入电脑,启动空间跳跃系统。
一阵蜂鸣声响起,你的掌心已经冒出了汗。飞船一阵强烈的震动,空间跳跃开始。
你紧闭起双眼。
过了良久,飞船的颤抖慢慢停止,恢复了稳定。
飞船安静地如同真空。你听见了自己的汗水掉落地上时破碎的声音。
如同梦中惊醒,你猛地睁眼向窗外望去,一颗巨大球体上,平行分布着几条缓缓流动的暗红或亮白条纹,一个红色的风暴漩涡在逆时针慢慢转动着,如同一只巨兽的眼睛。
木星大红斑,来自网络 “我王老五又回来啦!”
参考
编辑于 2023-08-13 10:48・IP 属地北京查看全文>>
松泉 - 38 个点赞 👍
如果你从家里被盲传到10公里之外,你只要打开手机地图按照GPS导航就可以回家。
如果你从地球被盲传到宇宙的某一个角落,没GPS怎么办?
用银河系?
如果你穿越到距离地球不到1亿光年的位置,应该还是可以勉强识别附近包括银河系在内的各种星系的,那就万幸了,直接按银河星图慢慢找太阳系就是了。即使是几十光年的位置,也能通过猎户座腰带的三颗星来大致判断自己的位置。
但对于银河系很远之外的外星人来说,银河系就是颗遥远的普通星系,与其它星系看上去没什么区别。所以通过星系和星座都没用了。
一个比较好的办法,是靠脉冲星。
GPS能定位,靠的是三角定位法,通过确定与几个卫星的空间距离,就能确定自己的位置。宇宙深空没卫星,但可以找一些特殊的坐标,那些即使在100亿光年也能识别出来的坐标。
而脉冲星正是这样的一种特殊的坐标星体。为什么呢?我们知道,脉冲星就是一直在疯狂高速转啊转啊转的具有准直辐射束的中子星,快的周期能达到1.37ms就转一圈,你眨一下眼就已经转了几百圈了。它转速的变化又很慢(脉冲速率恒定),有一些每万亿年才会慢1秒,最慢的能达到一亿亿年才慢一秒[1],具有长期的稳定性,而且每个脉冲星的自转周期都不太一样,像指纹一样,可以做宇宙中的高精度灯塔。(能够摧毁高密度脉冲星的宇宙事件类型也很少)
脉冲星像灯塔一样发射信号。by Abigail Malate 所以我们可以找到若干个符合条件的X射线脉冲星,再量出它们与地球的距离,就能将地球在宇宙中定位了。2018年1月,NASA的SEXTANT项目宣布首次成功在国际空间站上验证了这种脉冲星导航技术。
当人类开始进入深空时,我相信脉冲星应该会是第一批深空地图的坐标(其它选择还包括造父变星等,但没有脉冲星那么方便快捷又好用)
旅行者号航天器就配备了这样的牌子,描绘了太阳系相对于14颗脉冲星的位置。给附近的外星文明指路(虽然估计没什么用)。
盲点
但脉冲星有个缺点,就是辐射束有方向性,所以当穿越到的外星球正好在这些脉冲星的辐射束的盲区上时,就有可能无法正确寻找到足够多的脉冲星来定位。如果外星人的星图上能找比如像蟹状星云脉冲星这样的比较亮的X射线源,先跳到那里去再说,这样至少能离地球近一些。
另外,考虑到星际旅行的特点,假如,我是说假如采用了某种“超光速”移动的方法(都能穿越了,我假设个曲率气泡不过分吧)来穿越的,那么有可能外星已经会在时间上与地球有极大的跨越,以致于那些脉冲星都还没诞生,或者已经万亿年过去了它们都灭亡了。太空很大,真的,真的很大。
当然,有可能你已经在命运的光锥之外了,想吃点啥就吃点啥吧,如果外星的食物你能吃的话。
参考
编辑于 2023-08-12 14:51・IP 属地上海查看全文>>
太空僧 - 8 个点赞 👍
先获取一份宇宙微波背景辐射图。
到里面找到宇宙尺度可以观测到的点位,例如,波江座超空洞,蛇夫座空洞。
有了这几个空洞起码能确定拉尼亚凯亚超星系团的位置。
再之后需要确定本超星系团/室女座超星系团—本星系群—银河系—太阳系。
基本上是比大海捞针还难。
如果你想体验一把,我记得以前有个孢子的游戏最终目标之一就是在自己银河系找到地球。
编辑于 2023-08-03 09:27・IP 属地广东查看全文>>
老翁 - 6 个点赞 👍
你想让宇宙人定位地球,那首先得设定宇宙人距离地球多远。
为什么上面那句话很重要,我们举个现实的例子:
和你住同一栋楼的人,你只需要告诉他你住在几楼几号就行,他就能找到你家。
但如果是同一小区不同楼的人,你就还需要告诉他你住在第几栋楼第几单元,然后才是楼层号和门号。
如果住在不同地区的人,那你首先得能让他定位你所在的地区,然后再定位你的小区,之后才能谈得上上面那些定位信息。
所以,同样住在太阳系的外星人,他们只需要知道你所谓的地球是指这个太阳系里距离太阳较近的第三颗行星即可。
但如果是半人马座比邻星系的外星人要定位地球,你就得先告诉他地球是在太阳系里,而太阳系就是距离它最近的行星系。
宇宙人如果在银河系之外。要定位地球就得首先知道地球在银河系,也就是它要先能定位银河系,然后在银河系茫茫多的恒星里找到太阳,然后在太阳系里找到地球。
假如有一个宇宙人距离地球百亿光年远,那么起码你需要告诉它地球处于哪一个【超星系团】结构(【超星系团】由许许多多个【星系团-星系群】组成,一般来说最小的【超星系团】应该含有超过50个【星系团-星系群】,前些年比较热门的【长城结构】属于比较大型的【超星系团】结构)中的哪个部分中的哪个【星系团】(地球所在的银河系所属的【星系团】因为规模很小,所以只能叫【星系群】,但在结构层级上属于【星系团】这个级别,一般被称为【本星系群】)之中:
【本超星系团(银河系所在的超星系团,即【室女座超星系团】)】属于【拉尼亚凯亚超星系团】(形状象是个【人】字,【银河系】就在这个【人】字右侧一捺的末端)的一部分
请注意,【本超星系团(室女座超星系团)】和【拉尼亚凯亚超星系团】虽然具有层级关系,但实际上我们在星图上找【银河系】的时候根本没必要区分它们的界限,反正银河系对它们两者来说都是一个小点,在星图上划分它们的界限丝毫不会有助于寻找银河系的位置。
所以本文将【本超星系团】的概念直接指定给【拉尼亚凯亚超星系团】,因为只有这个大尺度结构在星图上才是容易识别的(【本超星系团(室女座超星系团)】在星图上太小了而且形状散乱,不具有容易识别的特征),因为它有非常明确的特征形状
然后你要告诉宇宙人【银河系(本恒星系)】所在的【本星系群(银河系和周围几十个【恒星系】组成的小规模【星系团】,因为规模太小只能叫【星系群】)】是【本超星系团(拉尼亚凯亚超星系团)】中的哪一个【星系团】
然后你要告诉宇宙人【银河系(本恒星系)】是这个【本星系群】中哪个【恒星系】
然后再告诉宇宙人【太阳系(本行星系)】在【银河系(本恒星系)】哪个象限的边缘附近。。。
那么要如何进行这些定位呢?
首先几乎所有的【长城超星系团(由一条或多条枝杈长城结构组成的大型超星系团。【拉尼亚凯亚超星系团】就属于这种)】都有各自独特的枝干形状(有时也把这些枝杈叫做长城结构),虽然【长城超星系团】们看似都是【大尺度纤维状结构(也就是许多长城结构纵横连成的大网)】中的一部分枝杈,但事实上要找到完全相同的枝杈分布几乎是不可能的。
换句话说,各个【长城超星系团】都是独一无二的可以明确识别形状的,只要给出具体形状的勾画,就可以在星图中找到对应的那个【长城超星系团】。不过这有一个前提,就是你必须手里有一张【大尺度纤维状结构】地图,然后才能在上面找到指定形状的那个【长城超星系团】,比如【本超星系团(拉尼亚凯亚超星系团)】
然后你就需要有【本超星系团(拉尼亚凯亚超星系团)】地图,在其中找到【本星系群】的大致位置(【人】字右侧一捺的末端),然后难点来了:
【本超星系团(拉尼亚凯亚超星系团)】这个【人】字右侧一捺的末端就包含了几千个【恒星系(银河系级别的存在)】,而【银河系】所在的【本星系群】不过是这几千个银河系中的50个。。。。所以原则上来说我们的【本超星系团(拉尼亚凯亚超星系团)】地图看起来就像是10万个【银河系小点】组成的巨幅印刷画,我们需要拿着放大镜甚至显微镜才能看清组成它的小点。。。
由于这个原因,【银河系】就像是【本超星系团(拉尼亚凯亚超星系团)】的【人】字主干末端周围包围的一片微亮云雾中的一个云雾粒子,它周围的其他云雾粒子几乎比较均匀地分布,没有组成什么特别有识别特征的图形来供我们辨别。。。这就是难点所在了。
所以这个时候要找到银河系的位置,就得准确给出银河系与它周围邻近的几十个星系的位置关系,通过这些位置关系来形成一个【特征图样(由于这几十个星系恰好组成【本星系群】,所以这个特征图样其实就是【本星系群】的特征图样)】,然后在【本超星系团(拉尼亚凯亚超星系团)】的【人】字一捺末端的几千个【恒星系里】寻找与这个【特征图样】相符的十几个星系(这个工作只能让AI来完成,人工比对太费时间了),这就找到了【本星系群】,然后确认其中具体位置的那个就是【银河系】。。。
然后就是在【银河系】中定位【太阳系】,难度比之前在【本超星系团(拉尼亚凯亚超星系团)】定位银河系还高,虽然我们知道【太阳系】处于【银河系】一条旋臂的外侧,但这个【旋臂外侧】包含着数千万甚至上亿个类似【太阳系】的【恒星系】,这些【恒星系】也像云雾一样组成银河旋臂外侧。。。
所以,这还是只能交给电脑去比对的工作,先把太阳系和附近几十个星系的相对位置设置成【比对特征图样】,然后让电脑去在数千万个【恒星系】里找到刚好对应这个【特征图样】分布的【恒星系】群,从而找到其中特定位置的【太阳系】。
办法就是这样的办法,无论什么水平的科技文明也都得这么干,至于要做到这事的文明最低需要什么科技水平,我觉得起码它们的星图得比人类现有的星图只强不差(至少得有咱们所在这片星区的精确星图),而且必须有相当高算速的电脑来辅助处理【按图索骥】的工作,也就是它们的电脑的数据处理能力不会比人类现有的差。
写到这里你们大概也看懂了,其实人类目前就已经算是能在宇宙里快速定位太阳系的最低阶文明了,所以题主问题中所问的技术水平,可以说就是人类现有的技术水平。
编辑于 2023-08-04 00:33・IP 属地黑龙江查看全文>>
厉风