地球位置暴露了？如果在太空中迷路了怎么办？星际导航终极指南！

地球在宇宙中的位置已经暴露了吗？

一张唱片竟想把太阳系坐标发送给外星人——1977年9月5日，美国卡纳维拉尔角空军基地，泰坦3号火箭搭载“旅行者1号”发射升空，一同启程的还有一张镀金唱片，唱片封面上刻着太阳系的坐标。

人类为何要在唱片上刻下自己的“地址”？在茫茫宇宙中，我们又该如何确定自身的位置与方向？

“旅行者金唱片”的封面上刻着几幅图案，其中形似“海胆”的是太阳系坐标图：圆心代表太阳，从太阳延伸出的、边缘凹凸的线段对应14颗脉冲星——它们是这套坐标系统中最关键的“标志物”。

什么是“标志物”？想象你在外地打车，说不清自己的位置时，常会对司机说“我在某某广告牌对面”。广告牌之所以适合当参照物，是因为它在特定区域内具有“唯一性”。

宇宙定位的逻辑与此相通，我们也需要独一无二的标志物作为参考。

脉冲星正是这样一类神奇的天体：体积极小、密度极大，因此自转速度极快且规律，更重要的是，每颗脉冲星的自转周期都不同，就像拥有独一无二的“指纹”。以金唱片上的14颗脉冲星为例，只要外星人从自己的“天体数据库”中找到匹配的自转周期参数，就能确认这些脉冲星的身份。

但这里有个问题：图上标注的是地球文字，外星人能看懂吗？更进一步，他们能理解“秒”的概念吗？答案大概率是否定的。因此，科学家采用了更基础、更普适的表达方式——唱片封面一角刻着两个圆，描述的是“氢原子超精细跃迁”。

这个概念听起来高深，实则易懂：氢原子的原子核与核外电子，在能量较高时自旋方向平行，能量较低时则相反；在自旋方向切换的过程中，会释放特定频率的电磁波，波长约21厘米，周期约0.704纳秒。

氢是宇宙中最丰富的元素，任何有能力捕获金唱片的文明，都该对氢有深入研究。外星人或许不懂“1秒”有多长，但只要掌握氢原子超精细跃迁的规律，就能与人类统一“时间尺度”。

统一时间概念后，再看具体信息的传达：脉冲星线段边缘那些长短不一的线段，是二进制表示的脉冲星周期，乘以0.704纳秒，就能换算成我们熟悉的脉冲星周期。不过，这一步只相当于“告知外星人太阳系在某颗脉冲星附近”，单靠这一点无法精确定位——因为从一颗脉冲星出发，固定半径内的范围是一个“球”，无法锁定唯一位置。

事实上，二维平面内至少需要3个参考物才能确定一个点，三维空间则最少需要4个。从1颗脉冲星出发是“球”，2颗脉冲星相交范围是“圆”，3颗脉冲星相交会得到圆上的2个点，只有引入第4颗脉冲星，才能真正确认太阳系的实际位置。

那坐标图一侧的“超长线段”是什么？

表面上它表示太阳到银河系中心的距离，实则还提供了“固定视角”，能将二维坐标系转化为三维。

怎么实现？每条脉冲星线段的末尾都有一道标记，代表该脉冲星到“银道面”（银河系的主要平面）的距离。换个视角：从银河中心望向太阳系，再结合脉冲星与银道面的位置关系，一幅立体的三维坐标系就清晰了。

这套导航方式，就像山里的原始人把洞穴外几棵树的形状画下来，希望外人能通过树木推算出洞穴位置——对“旅行者1号”这种“邻里串门级”的星际旅行来说勉强够用，但如果导航范围扩大到“星系之间”，脉冲星的“能力”就不够了。这时，我们需要更远、更亮、更稳定的参照物——类星体。

所谓类星体，其实是超大质量黑洞的吸积盘。它们的亮度极高，甚至超过整个星系的总亮度；正因亮度足够，即便距离极远也能被观测到。人类目前观测到的最远类星体，距离地球132亿光年；即便最近的“马卡里安231号”类星体，也有5.81亿光年之遥。

“远且亮”的特性，让类星体成为构建跨星系坐标系的理想参照物。事实上，国际天球参考系统（ICRS）正是通过上百个极遥远类星体的位置来定义的：以太阳系质心为原点，向极远的类星体射出三道互相垂直的“线”，这三道线就是固定的坐标轴。为了方便使用，这套系统通常被设想成“天球”——类似地球的经纬网，在宇宙中构建出空间坐标。

你可能会疑惑：太阳一直在运动，原点不断变化，坐标轴怎么能固定？其实，由于类星体与太阳系的距离实在太远，在这样的“大尺度”下，太阳系自身的运动幅度，相对于原点的“范围”来说微乎其微。以人类目前的观测精度，坐标轴完全可以视为固定不动——这就像小朋友觉得“月亮总跟着自己跑”：不是月亮在追人，而是地月距离太远，人的移动不会改变月亮的相对方向。通过ICRS固定坐标后，我们才能在宇宙中实现真正的定位。

以恒星定位为例，这是天文数据库SIMBAD上织女星的位置信息，核心参数有四个：赤纬和赤经。

前面说过，ICRS常被设想成“天球”，赤纬相当于天球的“纬线”，赤经相当于“经线”——通过这两个参数，能确定织女星的方向，但相同方向上可能有多颗恒星，因此还需要“距离”参数。

宇宙中测量距离的方法有很多，常见的是“视差法”（具体原理可参考往期视频）。通过视差法，能算出织女星到地球的距离。简单来说：赤经、赤纬确定“方向”，视差确定“距离”，在平面上定位只需这两个变量；但在太空中，还需额外考虑“历元”。

所谓历元，可理解为“在某一固定时刻给全宇宙拍一张快照”，所有位置信息都以这一刻为准。之所以需要历元，是因为天上的星星一直在运动，位置会不断变化，没有固定的“时间锚点”，就无法记录和比较坐标。

从脉冲星（银河系内导航）到类星体（星系间导航），人类的宇宙移动范围不断扩大。但如果想更进一步，飞到宇宙边缘，任何天体都无法再被视作“固定不动”——这时，我们能借助的，只有宇宙本身。

众所周知，宇宙起源于138亿年前的大爆炸。但少有人知的是，大爆炸后38万年，宇宙冷却到适宜温度，光子终于摆脱物质束缚，开始在宇宙中自由穿行——这一过程被称为“光子脱耦”。这些宇宙中最古老的光，均匀散布在全宇宙，共同构成了“宇宙微波背景（CMB）”。

可以说，宇宙微波背景是“宇宙大爆炸的余晖”，它能提供宇宙尺度的“绝对参考系”，让我们实现全宇宙导航。具体怎么做？关键在于“多普勒效应”：当航天器朝某个方向移动时，来自该方向的CMB辐射频率和温度会升高（即“蓝移”）；来自相反方向的辐射，频率和温度会降低（即“红移”）。通过测量这种微小的温度差异，就能确定航天器相对于CMB的运动方向和速度。

举个简单的例子：CMB导航就像在绝对黑暗的房间里，一边播放《小苹果》，另一边播放《月亮之上》。虽然看不见，但往《小苹果》方向移动时，这首歌的声音会变大，《月亮之上》会变小；反向移动则相反。通过音源的音量变化，既能确定运动方向，也能计算移动速度——有了方向和速度，就能完成基础导航。

你可能会发现，CMB导航与脉冲星、类星体导航的原理完全不同：它不依赖外部参考系，仅通过自身收集的数据就能导航。

这种差异，对应着人类目前最常用的两种导航逻辑：脉冲星、类星体导航类似GPS，靠固定参考物构建坐标系；CMB导航则像“高精度惯性导航”——在首颗导航卫星上天前，人类导弹用的就是惯性导航，不依赖外部信息，仅靠陀螺仪和加速度计就能调整姿态、速度与位置。

人类从“惯性”出发，开发出复杂的导弹系统，进而解锁整片太空科技树；但当我们想走向宇宙最远处时，却发现依靠的仍是最“原始”的宇宙本身的规律。

1990年2月14日，“旅行者1号”离开地球13年后，为节省能源，NASA永久关闭了它的相机系统。关闭前，地面控制中心让它调转方向，拍下了一张特殊的照片——天文学家卡尔・萨根为这张照片写下了或许是人类历史上最“宏伟又渺小”的注解。

时至今日，“旅行者1号”已在太空飞行半个世纪，但人类自阿姆斯特朗之后，再也没有迈出过月球之外的脚步。阿波罗计划的辉煌，曾让我们以为“星辰大海”是理所当然的下一站，可月球上的脚印，却成了人类迄今能触及的最远边界。

“旅行者1号”仍在前行，它所代表的“勇于探索的黄金时代”，却仿佛和它一样渐渐远去，最终变成宇宙中一个暗淡的光点。