探望近鄰的袖珍飛船

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

探望近鄰的袖珍飛船

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

柯文采（Thijs Kouwenhoven）西交利物浦大學數學科學系

星際旅行之夢

自從第一枚火箭進入太空以來，夢想到月球或太陽系的其他行星、甚至其他恒星上旅行的人絡繹不絕?，F在50多年過去了，人類只踏上了月球的土地。主要原因在于，載人飛船實在太昂貴了。程控太空探測器則拜訪了我們太陽系中多得多的地方。迄今，無人飛船已經登陸了太陽系內包括金星、火星在內的多顆行星，以及若干衛星、小行星和彗星。另外，在飛往目的地的旅途中，很多飛船還近距離地觀察了太陽系中很多其他的天體。

最近的例子是“新視野號”飛船。它去年從冥王星和它的衛星身旁飛過。在飛過冥王星的時候，“新視野號”拍攝了它的第一批冥王星照片，而現在它正以49600千米/小時（13.8千米/秒）的驚人速度遠離太陽系而去。它是迄今運動最快的人造航天器。但即便以這樣快的速度，它也需要75000年才能到達最近的恒星——距我們4.25光年的比鄰星。

“突破射星”計劃

宇宙中可能的最快速度是光速（約300000千米/秒）。要拜訪離我們最近的恒星和它的行星，宇宙飛船必須以與光速可比的速度飛行才可以。問題在于，把飛船加速到這樣高的速度需要很多能量，因此需要很多錢。

為了在21世紀之內實現（通過無人飛船）星際旅行的夢想，2016年4月，一些著名的物理學家（提供智力支持）和商業領袖（提供資金支持）聯合提議了一項名為“突破射星”（Breakthrough Starshot）的計劃。其中包括著名物理學家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）、俄羅斯風險投資家尤里·米爾納（Yuri Milner）和“臉書”（Facebook）首席執行官馬克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）。

他們計劃從地球上發射一艘普通的飛船（母飛船），其中裝滿成千艘厘米級的袖珍飛船。母飛船進入太空以后會釋放這些袖珍飛船，而它們將高速奔赴其他的恒星。使用厘米級飛船的優勢在于，比起加速一艘大飛船，加速這些小飛船需要的能量會小一些。這些袖珍飛船將搭載傳感器和計算芯片，并且與地球上的科學家保持聯絡。

這些飛船將利用光帆來推進，而不是火箭。從地球上發射的激光束將使這些袖珍飛船很快加速到光速的20%（60000千米/秒）。憑借這樣的速度，到達鄰近的恒星只需要20～30年。當這些袖珍飛船各自到達目的地之后，它們將研究那里的行星，并把結果傳回地球。這些信號以光速傳播，到達地球又需要4～6年的時間。于是，我們（或者說，至少我們發射的無人飛船）只需短短幾十年，就可以對其他的恒星進行實地考察了。對一個人來說，這時間是夠長了，不過比起常見的火箭燃料的飛船，這已經快了1000多倍。

2016年4月12日，英國物理學家斯蒂芬·霍金與俄羅斯投資人尤里·米爾納提出了“突破射星”計劃。尤里·米爾納手持“星際薯片”太空探測器的原型，宣布他將為該項目提供1億美元。這大約是啟動項目所需總資金的1%。

人們將用強力的激光瞄準“太空薯片”飛船的光帆，使它們加速到光速的20%。這些激光的功率高達100G（1000億）瓦特，相當于全英國每天用電高峰時段的總功率。圖片來源：UCSB Experimental Cosmology Group

星際介質帶來的危險

太空幾乎是空的。從我們的太陽系到鄰近的恒星，其中的物質是那么少，以至于完全擋不住恒星發出的光。這就是我們夜里能看見星星的原因。使用威力強大的望遠鏡，我們甚至能看到宇宙另一邊的星系。不過，太空畢竟不是完全空的。其中稀疏地分布著原子和塵埃顆粒（兩者統稱“星際介質”），還有輻射。它們的數量相當地少，通?？梢院雎圆挥?。

但是，當我們橫穿太空飛行之時，撞上一粒秒速60000千米的塵埃顆粒，滋味可是不好受的。而對于為了通過光帆達到高速度，因而以盡量輕巧為原則設計的厘米級袖珍飛船來說，這種碰撞尤其具有災難性。一個由加拿大和美國天文學家組成的團隊決心研究星際物質對飛船的撞擊。畢竟，要是花費數十億美元設計和發射的飛船全部撞毀在路上，那可就慘了。他們的研究結果以“相對論性飛船與星際介質的相互作用”（The interaction of relativistic spacecrafts with the interstellar medium）為題發表在《天體物理學期刊》（Astrophysics Journal）上（Hoang et al, 2016）。

星際旅行的風險分析

在論文中，作者黃添（音譯）等人考慮了星際旅途中來自環境的四種危險：

1. 輕元素的原子；

2. 重元素的原子；

3. 塵埃顆粒；

4. 星際輻射。

它們各自產生的影響總結如下。

1.與輕元素的原子相撞

氫與氦是周期表中最輕的兩種元素。宇宙中大約90%的原子是氫，9%是氦。因此，太空探測器將主要與這些原子相撞。幸運的是，雖然撞擊時的速度很大，但只要飛船有硬質隔熱層保護，這些原子只會對其造成輕微的損傷。它們會輕微地加熱飛船的前部，但如果沒有保護的話，還是會對計算芯片產生傷害。不過從另一方面來看，這其實也有一定的好處：當飛船前部熱而后部冷時，會產生“熱電池”的效應，為計算芯片、傳感器和天線提供額外的能量。

2.與重元素的原子相撞

除氫與氦外的所有原子共占宇宙中原子總數的1%，其中主要是氧、碳、氮和鐵。盡管它們其實并不是特別重，但是對于星際旅行來說，這些元素還是要叫作“重元素”。與氫和氦不同，它們會損傷飛船。在這些原子的共同撞擊下，太空探測器在飛往我們附近恒星的旅途中會損失0.1毫米厚的隔熱層。這當然不是什么大數目，但如果我們考慮到探測器在發射時輕微的增重也會給項目的成本帶來可觀的增加，這就不是微不足道的了。

夜空中的是銀河（左）與黃道光（右），前景是位于智利阿塔卡馬沙漠的甚大望遠鏡（Very Large Telescope，VLT）。如果讀者所在的地區光污染比較小，也許之前也會看到過黃道光。黃道光是彌漫在黃道附近的微弱的橙黃色光，它是由太陽系中的塵埃反射太陽光造成的。這些塵埃大多源于最近一百萬年來的小行星撞擊事件。袖珍飛船在旅途中得避開這些塵埃區。離開太陽系之后，與塵埃顆粒相撞的概率就幾乎為零了。圖片來源：Gerhard Hudepohl

3. 與塵埃顆粒相撞

星際塵埃顆粒跟我們在家里看見的塵埃有點像，不過要小得多。一粒典型的塵埃包含的原子數目從幾百個到幾十萬個不等。顯然，我們的太空探測器撞上一個塵埃顆粒造成的傷害，可比撞上單個的原子要大多了。塵埃顆粒撞擊造成的傷害取決于它們的質量。與較大的塵埃顆粒高速相撞，會導致一場摧毀整個探測器的小型爆炸。這些較大的顆粒在我們的太陽系中時有出現，而幸好在星際介質中極其稀少。撞擊的概率可以通過塵埃在不同地方的密度和飛船旅行的時間來計算。幸運的是，飛船穿過太陽系的旅途極其短暫，而漫長的、穿越星際介質的旅程又幾乎沒有塵埃，總的來說，這種爆炸式撞擊發生的概率非常低，可以安全地忽略。換句話說，塵埃不是大問題。

4.與星際輻射場的相互作用

星際空間充滿了朝著各個方向傳播的輻射。這一鍋“輻射湯”是由各種事件共同“烹調”而成的：超新星爆炸、恒星爆發、大爆炸遺跡，等等。這些輻射中的大部分光子是無害的。只有高能的光子才具有破壞性，因為它們能夠干擾甚至摧毀飛船上搭載的計算芯片。一個導電外殼將能夠保護飛船免受大部分輻射的傷害，雖然有時候干擾還是難以避免。

如何建造“合格”的飛船？

恒星之間的空間幾乎是空的，星際介質對于大型的飛船來說不是什么問題：能夠把宇航員運送到其他行星系統去的飛船都有著厚厚的外殼，很容易擋住原子和塵埃顆粒的撞擊。但是，對于“突破射星”提出的厘米級袖珍太空探測器來說，如上所述，塵埃、原子和輻射都將成為很大的問題。

黃添等人給出了一些保護探測器平安到達目的地的辦法。安裝保護殼的效果最好。根據他們的計算，用耐沖擊的材料制成的保護殼，厚度只要1毫米就夠了。研究者比較了不同材料在強烈撞擊下所受影響的各種試驗，發現石墨最適于制作保護殼。

飛船的設計也很重要，尤其是它的橫截面，也就是面對原子與塵埃撞擊的表面面積。把飛船設計成針形是有利的，因為這樣一來，面對原子和塵埃沖擊的只有針尖的一點。為了減少撞擊的次數，太陽帆在旅途中也必須折疊起來。

除了使用保護殼以外，理論上講還有一種保護飛船的可能手段，那就是避免撞擊。盡管現在這還只能說是科學幻想，不過研究者提到了實現它的幾種可能機制。通過隨時調整行進路線來避免撞擊是不現實的，因為這將消耗太多的能量。另一個辦法是用激光束摧毀塵埃顆粒?；蛘咭部梢圆淮輾?，而是用激光束推開那些塵埃，這樣做恐怕更便宜也更現實一些。另外，鑒于很多星際顆粒是帶電荷的，通過在飛船上產生一個電場或者磁場，使這些顆粒的運動方向發生偏轉，也是可行的。依我看，這些想法都很好，不過相比之下，還是造一個稍微厚些的保護殼要更簡單、便宜，也更可靠得多。

藝術家繪制的“太空薯片”太空探測器想象圖?！巴黄粕湫恰庇媱澲荚谙蛱罩邪l射數千艘這樣的袖珍探測器。圖中顯示了展開的光帆，飛船正是憑借它達到0.2倍光速的。飛船的主體只有大約一厘米大小，在本圖中很難分辨出來。圖片來源：BREAKTROUGH STARSHOT Initiative

到達鄰近恒星的旅途只需要幾十年時間，因此它們將是“突破射星”計劃最好的目標。天文學家對南門二（半人馬α）三星系統中的三顆恒星（南門二A、南門二B和比鄰星）尤其有興趣，因為我們已經知道，其中后兩顆星具有行星系統。來源：Wikipedia

這樣的想法有人提出過嗎？

“突破射星”計劃提出了用袖珍太空探測器探索銀河系的卓越方案。盡管現有的技術可能還不足以很快就發射這樣的探測器，但也許50年，或者100年之內，我們就能發射它們了。通過這種方法，我們（或者說，至少我們在飛船上搭載的微型計算機）在幾十年之內就能到達那些鄰近的恒星。而銀河系的直徑大約10萬光年，因此，我們的探測器（以0.2倍光速飛行）將能夠在幾百萬年之內飛抵銀河系千億顆恒星中的幾乎每一顆。

當然，幾百萬年對于人類，乃至對于一個可能的（外星）文明來說，都是極其漫長的。不過，比起行星、恒星和星系的壽命來，它只是短暫的一瞬，幾乎等于零。這不禁引發了我的好奇：會不會銀河系中的某個文明在十億年前就已經有過了這樣的想法？又或者，會不會在很久以前某個地外文明（或很多不同的地外文明）就提出了相同的方案？如果答案是肯定的話，那么他們的袖珍太空探測器應當在很久之前就到達我們的地球了。而且這些地外文明的探測器應當還在不斷到達地球，并且仍然在向它們的母行星發射無線電聯絡信號。

然而，我們迄今還沒有發現任何這類地外文明的探測器的證據，也沒有在外太空發現任何聯絡信號。這意味著什么？發射大量袖珍太空探測器到其他恒星是不可能的嗎？“突破射星”的命運已經注定了？還是說我們是銀河系中第一個提出這種方案的？抑或我們是宇宙中唯一的智慧文明？地外文明有意避開了地球嗎？又或許，只是我們找得不夠努力？我不知道答案。各位讀者，你們怎么看呢？

（責任編輯 馮翀）