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霍金计划取得突破!有生之年或能飞到4光年外的比邻星,怎么做?

在太阳系之外的浩瀚银河系中,分布着上千亿颗恒星,位于半人马座的南门二是离我们最近的一个恒星系统,距离只有4.37光年。南门二有别于我们的太阳系,因为它包含着三颗恒星,其中最近的是比邻星,离我们只有4.25光年。

在2016年,天文学家发现比邻星周围环绕着一颗行星,这震撼了天文学界。这颗被命名为比邻星b的系外行星是一颗“超级地球”,质量达到地球的1.6倍,半径为地球的1.3倍。而且比邻星b的公转轨道位于宜居带中,意味着它可能像地球一样有条件诞生出生命。

这个重大发现引发了人们的无限遐想,比邻星b上究竟有没有外星文明呢?由于比邻星b又小又远,人类目前最强大的天文望远镜也无法直接窥探到它。想要知道这颗系外行星到底是什么样子,只能飞到它附近进行探测。

4光年在宇宙中只能算是近在咫尺,以每秒将近30万公里的光速飞行,只要4年就能走完,但这对于人类而言却是遥不可及。如果以正在飞出太阳系的旅行者1号的速度(17 km/s),飞抵比邻星b将需要长达7.5万年的时间,这样的星际探测显然是不现实的。

我们需要速度快得多的亚光速星际飞船,但这又会遭遇相对论效应的阻碍。根据相对论的质增效应,当星际飞船的速度接近光速时,其质量将会迅速增加,进一步加速将变得非常困难,这需要飞船携带极多的燃料。

想要在人类有生之年内跨越地球和比邻星b之间的遥远距离,我们必须打破固有思维,开辟一条星际飞行的新途径。星际飞船经过充分轻量化处理之后,可以更容易进行加速,从而达到极快的速度。

著名物理学家霍金曾在生前提出了“突破摄星”计划,他设想了一种非常轻(克级)的光帆星际飞船,自身不携带燃料,它的动力来自于地面上的激光阵列照射出的强力激光,由此产生的光子辐射压力。这样的星际飞船可以被加速至光速的20%,飞抵比邻星b只需大约20年的时间。

不过,想要让光帆飞船实现亚光速飞行,还要面临诸多挑战。地球表面被一层大气覆盖着,地面激光器发射出的激光在穿过大气层时,将会发生折射,导致光帆飞船无法被正确推动。

一些人建议把发射系统放在月球上,那里没有大气,激光可以直达光帆飞船。然而,在月球上部署激光阵列的成本太高了,简直是天文数字,根本不现实,需要寻找其他方法。

最近,科学家有了新的突破。根据《美国光学学会杂志B》(Journal of the Optical Society of America B)上刊载的一篇新论文[1],科学家提出了一种用于光学相位传感和控制的光子解决方案,建立一种能够补偿大气畸变的自适应光学系统。有了这样的系统,就能抵消大气畸变造成的影响,从而把激光准确照射到光帆飞船上。

按照计划,1亿台激光器将会分布在1平方公里的区域中,整个激光阵列的总功率将会达到100 GW,耗电量巨大。但它只要满功率运行10分钟,光子就能让光帆飞船获得高达1万g的加速度。

当激光阵列关闭之后,光帆飞船的速度将会被加速至五分之一光速。此后,光帆飞船将依靠惯性飞向南门二。虽然太空几乎是真空状态,但光帆飞船在飞行时,仍然会受到太阳引力和星际介质的作用,飞船的速度将会略微减慢,它预计会用22年的时间飞抵比邻星b。

到达那里之后,光帆飞船把探测数据用无线电波传回地球,还要4年多的时间。由于光帆飞船没有动力进行减速,它将会快速飞掠南门二,然后飞向宇宙深处。

参考文献

[1] Chathura P. Bandutunga, Paul G. Sibley, Michael J. Ireland, et al. Photonic solution to phase sensing and control for light-based interstellar propulsion, Journal of the Optical Society of America B, 2021, 38, 1477-1486.