原文標(biāo)題：《你相信光嗎？能打電話的那種》

美國(guó)宇航局 ( NASA ) 最近發(fā)射了一顆深空探測(cè)衛(wèi)星"Psyche"，這讓我們能夠一窺一顆具有與地球相似的核心結(jié)構(gòu)的星球。也許人類永遠(yuǎn)無(wú)法踏上這顆星球，但這顆衛(wèi)星的發(fā)射，以及衛(wèi)星攜帶的隨行儀器讓太空通信領(lǐng)域的科學(xué)家興奮不已。自太空時(shí)代開(kāi)始以來(lái)，太空通信領(lǐng)域的科學(xué)家們一直依靠無(wú)線電波進(jìn)行通訊。但是無(wú)線電波只是電磁波譜中的一小部分。科學(xué)家們希望可進(jìn)行通訊的波譜能擴(kuò)展到光譜的另一部分。因此，他們的目標(biāo)是使激光成為下一代太空通訊通信工具。

Psyche 探測(cè)器的主要任務(wù)是探索一顆長(zhǎng) 144 英里、形狀像土豆的小行星，這顆小行星的公轉(zhuǎn)軌道長(zhǎng)度大約是地日距離的三倍。天文學(xué)界的主流觀點(diǎn)認(rèn)為，這顆小行星（確切地說(shuō)是這顆名為 Psyche 16 的小行星）可能是一顆巖質(zhì)行星的金屬核心，其巖石表面在火星和木星之間的 " 小行星帶 " 中被撞擊剝離。

如果真是如此，那么通過(guò)探測(cè)這顆小行星中鐵、鎳和巖石的成分，我們得以對(duì)比研究地球的地核的構(gòu)成與結(jié)構(gòu)。

這顆探測(cè)器將會(huì)花費(fèi)六年的時(shí)間抵達(dá)目的地，并證實(shí)這是小行星的表面是否由金屬構(gòu)成。如果假設(shè)成立，那么我們可能遇到的是一顆比上世紀(jì) 40~50 年代科幻作家筆下所描述的還要奇怪的星球。來(lái)自星球的金屬噴流在與其他小行星的相互碰撞中形成了非常怪異的形狀。

2022 年底，在佛羅里達(dá)的肯尼迪航天中心，裝配人員正在檢查 NASA 的 Psyche 深空探測(cè)衛(wèi)星。這顆航天器將會(huì)于 2023 年 10 月 13 日擇機(jī)發(fā)射。Psyche 將會(huì)搭載一顆激光通訊組件包（如圖所示的金色底面銀色圓柱形設(shè)備）來(lái)測(cè)試在地月范圍之外光學(xué)通訊傳輸信號(hào)的能力。

但在另一方面，測(cè)試激光通訊技術(shù)的太空通訊專家將會(huì)更快地得出另一個(gè)同步進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。深空光學(xué)通信（DSOC）實(shí)驗(yàn)將會(huì)是第一例在地月外深空探測(cè)中采用激光通訊，或光通訊的實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)技術(shù)或?qū)?NASA 的重返月球計(jì)劃，以及下一步登陸火星起到重要作用。這項(xiàng)技術(shù)同樣意味著 NASA 在探索新的太空通訊技術(shù)領(lǐng)域中邁出了重要一步。

如果這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝾A(yù)期完成，那么激光通訊技術(shù)將會(huì)補(bǔ)上 NASA 在主流的地外通訊系統(tǒng) - 深空網(wǎng)絡(luò) ( DSN ) 中所面臨的帶寬限制的短板。 DSN 的三個(gè)無(wú)線電天線站點(diǎn)（每個(gè)站點(diǎn)各有一座 70 米直徑的碟形天線，分別位于西班牙、澳大利亞和美國(guó)加利福尼亞州沙漠，彼此相隔 120 度）面臨著與休斯頓高峰時(shí)段信號(hào)堵塞相似的情況。目前，從詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡到小型商業(yè)衛(wèi)星等數(shù)十項(xiàng)空間的任務(wù)都在爭(zhēng)奪 DSN 的通訊時(shí)間。

" 各種任務(wù)的通訊信號(hào)之間可能存在相互干擾，" 美國(guó)宇航局空間通信與導(dǎo)航辦公室（SCaN）深空網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目經(jīng)理邁克?萊弗斯（Mike Levesque）表示，" 目前有 20% 的通訊申請(qǐng)無(wú)法得到滿足。隨著時(shí)間的推移，問(wèn)題只會(huì)變得更糟。到 2030 年，這一比例將達(dá)到 40%。"

未來(lái) NASA 還將有 40 個(gè)航天發(fā)射任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都需要占用 DSN 一定的時(shí)間。更重要的是，其中一些發(fā)射任務(wù)為載人航天任務(wù)，這些任務(wù)將會(huì)搭載高清視頻設(shè)備以及監(jiān)控航天員生命體征的實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備。NASA 不想因?yàn)橐活w商業(yè)性的小型衛(wèi)星 CubeSat 而遲滯這些為 NASA 重返月球而做的準(zhǔn)備工作。像是 CubeSat 這類的小型衛(wèi)星能夠傳輸各種類型的科學(xué)數(shù)據(jù)，并提供互聯(lián)網(wǎng)連接，但是人類已經(jīng)將很多這類衛(wèi)星發(fā)射到了近地軌道上了。

" 對(duì)于科學(xué)任務(wù)來(lái)說(shuō)，項(xiàng)目的遲滯也許可以被接受，但對(duì)于 NASA 的載人任務(wù)，我們需要全力以赴，"SCaN 項(xiàng)目主管杰森?米切爾（Jason Mitchell）表示，" 隨著重返月球和登陸火星計(jì)劃的不斷推進(jìn)，計(jì)劃中 NASA 宇航員所需要的東西也會(huì)隨之增加。我們每天可能會(huì)發(fā)送數(shù) TB 的數(shù)據(jù)。"

在激光通訊設(shè)備近期的實(shí)機(jī)測(cè)試中，研究人員試圖利用激光攜帶比無(wú)線電波更多的信息。在電磁波譜中，近紅外部分的光學(xué)波長(zhǎng)非常小，接近納米量級(jí)，頻率也非常高，因此可以在同等空間尺度下承載更多信息，并將數(shù)據(jù)傳輸速率提高 10 到 100 倍，這是無(wú)線電波無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

" 這就是為什么光通訊技術(shù)適合發(fā)展成為未來(lái)深空探測(cè)的重要通訊技術(shù)" 米切爾說(shuō)，" 光通訊技術(shù)所能達(dá)到的通訊帶寬非常大 "。

NASA 將首次在深空中測(cè)試激光通信技術(shù)?？梢?jiàn)光的頻率比無(wú)線電頻率更高，因此每秒可以攜帶 10 到 100 倍于無(wú)線電信號(hào)的信息。 ( 底部圖表的左側(cè)比較了無(wú)線電波攜帶的數(shù)據(jù)量（白色方框），右側(cè)比較了近紅外激光攜帶的數(shù)據(jù)量。 ) 激光信號(hào)（紅色）的通訊范圍比無(wú)線電信號(hào)（淺藍(lán)色）窄得多，這可以增強(qiáng)空間通信的安全性，但信號(hào)的傳輸對(duì)微小的對(duì)齊誤差非常敏感。圖片源自 : NASA / GODDARD SPACE FLIGHT CENTER

相比于能夠?qū)崿F(xiàn)同樣帶寬的無(wú)線電系統(tǒng)，激光系統(tǒng)體積更為小巧，同時(shí)需要的功率更少。通訊系統(tǒng)的能耗是深空探測(cè)中需要考慮的另一個(gè)重要因素，因?yàn)楹教炱鲝牡厍虺霭l(fā)，在沒(méi)有補(bǔ)給的情況下，需要維持能夠飛行數(shù)億英里所需的通訊時(shí)間。

在過(guò)去的十年里，從近地軌道到月球，NASA 在不斷測(cè)試驗(yàn)證這項(xiàng)新技術(shù)。Psyche 上搭載的激光通訊設(shè)備將能夠在深空首次測(cè)試這項(xiàng)技術(shù)，這是一個(gè)重要的里程碑，因?yàn)楣馔ㄐ糯_實(shí)存在缺點(diǎn)。由于激光的單向性很強(qiáng)，光束很窄，因此必須非常準(zhǔn)確地指向地球上的接收器。隨著激光設(shè)備與地球之間距離的增加，保持激光的指向位置不變成為研究的難點(diǎn)。

建造該儀器的美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的 DSOC 項(xiàng)目技術(shù)專家阿比吉特?比斯瓦斯（Abhijit Biswas）將這一難度比作從一英里外擊中一個(gè)移動(dòng)的硬幣，即使是一點(diǎn)晃動(dòng)也會(huì)干擾信號(hào)的接收。為了使收發(fā)器在 Psyche 上保持穩(wěn)定，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室安裝了特殊的支撐和驅(qū)動(dòng)裝置，以減少光通訊設(shè)備受到的來(lái)自 81 英尺長(zhǎng)的航天器振動(dòng)的影響。

其他潛在的問(wèn)題包括：大氣上的云層會(huì)阻擋光束；隨著距離的增加和光束的擴(kuò)散，信號(hào)會(huì)顯著減弱。這些問(wèn)題限制了光通訊設(shè)備在距離火星以外的地區(qū)使用，至少在當(dāng)前技術(shù)條件下是這樣。這就是為什么搭載在 Psyche 上的設(shè)備所進(jìn)行的測(cè)試只會(huì)在任務(wù)的前兩年進(jìn)行，也就是在航天器飛往小行星本身之前完成測(cè)試。

Psyche 航天器的藝術(shù)渲染圖。Psyche 深空探測(cè)衛(wèi)星于 2023 年 10 月踏上了前往同名小行星的長(zhǎng)途旅程，并將于 2029 年到達(dá)。該衛(wèi)星裝備有能夠分析小行星構(gòu)成和測(cè)量其磁場(chǎng)的儀器。與大多數(shù)太空巖石不同，Psyche 小行星被認(rèn)為由鎳和鐵組成，類似于地球的地核。圖片來(lái)源 : NASA / JPL-CALTECH / ASU; IMAGE CREATED BY PETER RUBIN

基于這些原因，以及目前尚未實(shí)現(xiàn)光學(xué)接收器之間的互聯(lián)組網(wǎng)，因此沒(méi)有人預(yù)測(cè)激光通信全面取代無(wú)線電波的時(shí)間點(diǎn)，但這項(xiàng)技術(shù)可以為深空通訊增加新的渠道。" 未來(lái)的探測(cè)項(xiàng)目將能夠?qū)崿F(xiàn)多樣化。" 比斯瓦斯說(shuō)。

在這項(xiàng)的測(cè)試中，南加利福尼亞的 Table Mountain 上的一個(gè)五千瓦的發(fā)射機(jī)將向航天器上的 8.6 英寸望遠(yuǎn)鏡上的激光收發(fā)器發(fā)送一個(gè)低碼率通信包 —— 沒(méi)有什么特別的，主要是隨機(jī)模式，比斯瓦斯說(shuō)。該儀器將使用單光子計(jì)數(shù)相機(jī)，鎖定光束并下載信息，然后以高碼率將其傳回位于圣地亞哥附近的帕洛馬山上的 200 英寸的 Hale 望遠(yuǎn)鏡，以便將其與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以確保準(zhǔn)確性。

即便在地球 - 火星之間的距離尺度上，光通訊的信號(hào)也相對(duì)微弱。從 Psyche 探測(cè)器到達(dá) Hale 望遠(yuǎn)鏡的通信包只包含幾個(gè)光子，因此 NASA 依賴于一個(gè)高靈敏度的、低溫冷卻的光子計(jì)數(shù)探測(cè)器（由超導(dǎo)納米線制成）附著在望遠(yuǎn)鏡上解碼信號(hào)。

對(duì)于擁有激光光譜學(xué)學(xué)位背景的比斯瓦斯來(lái)說(shuō)，測(cè)試光學(xué)通信是十年努力的成果。" 這令人非常興奮，" 他說(shuō)。" 有太多前沿問(wèn)題等待我們?nèi)ヌ剿鳌?quot;

雖然激光通信（可以類比與高速公路）可能無(wú)法避免 DSN 未來(lái)將面對(duì)的信號(hào)擁堵的情況，但它可以在太空中輔助 DSN 傳遞一些重要的實(shí)時(shí)信息。