【博科園-科學(xué)科普】近年來，被證實(shí)的外太陽系行星數(shù)量突飛猛進(jìn)。隨著每一個(gè)新發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們有可能直接探索這些行星的時(shí)候，問題就自然而然地出現(xiàn)了。到目前為止，已經(jīng)有了一些建議，從激光帆驅(qū)動(dòng)的納米飛行器到半人馬座阿爾法星(Alpha Centauri)，在短短20年的時(shí)間里，到裝備有基因?qū)嶒?yàn)室的慢速移動(dòng)的微型飛行器(《創(chuàng)世紀(jì)》項(xiàng)目)。

在行星表面產(chǎn)生的無線電波束(紅色)驅(qū)動(dòng)的光帆的插圖。這些光束掃過天空時(shí)的泄漏將會(huì)像快速的無線電爆發(fā)一樣出現(xiàn)，類似于最近在宇宙學(xué)距離上發(fā)現(xiàn)的新一代的輻射源。圖片版權(quán)：M. Weiss/CfA

但當(dāng)涉及到制動(dòng)這些飛行器時(shí)，他們可以放慢速度，研究遙遠(yuǎn)的恒星和軌道行星，事情就變得有點(diǎn)復(fù)雜了。根據(jù)一項(xiàng)最近由《創(chuàng)世紀(jì)》項(xiàng)目構(gòu)想的人所做的研究——法蘭克福大學(xué)理論物理研究所的克勞迪亞斯·格羅斯教授——依靠超導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng)的特殊帆可以用于這個(gè)目的。

Starshot和Genesis是類似的，這兩個(gè)概念都試圖利用最近在小型化方面的進(jìn)步。今天工程師們能夠制造傳感器、推進(jìn)器和照相機(jī)，能夠執(zhí)行計(jì)算和其他功能，但只是較舊儀器的一小部分。在推進(jìn)方面，有很多選擇，從傳統(tǒng)的火箭和離子驅(qū)動(dòng)器到激光驅(qū)動(dòng)的輕型帆。

項(xiàng)目Starshot是由突破攝星基金會(huì)發(fā)起的一項(xiàng)倡議，旨在成為人類的第一次星際航行。圖片：breakthroughinitiatives.org

然而，減慢星際任務(wù)的速度仍然是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@樣的飛行器不能安裝制動(dòng)推進(jìn)器和燃料，而不會(huì)增加它的重量。為了解決這個(gè)問題，Gros教授建議使用磁帆，這將比其他現(xiàn)有方法有許多優(yōu)勢(shì)。

經(jīng)典地說可以用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來裝備宇宙飛船。正常的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)槲覀冋谑褂盟鼈儼l(fā)射衛(wèi)星，可以改變速度只有5 - 15公里/秒。甚至只有在使用幾個(gè)階段的時(shí)候。這還不足以使飛行器在1000公里/秒(0.3% c)或10萬公里/秒(c / 3)飛行時(shí)減速。聚變或反物質(zhì)的驅(qū)動(dòng)會(huì)有所幫助，但不是很大。

設(shè)想的帆將由一個(gè)直徑約50公里的巨型超導(dǎo)環(huán)組成，一旦產(chǎn)生無損耗電流，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。一旦激活后，星際介質(zhì)中的電離氫將被反射到帆的磁場(chǎng)中。這將會(huì)使航天器的動(dòng)量轉(zhuǎn)移到星際氣體中，從而逐漸減慢它的速度。

根據(jù)Gros的計(jì)算，這將適用于低速航行的航行，盡管星際空間的粒子密度極低，每立方厘米可以達(dá)到0.005到0.1個(gè)粒子?！按棚L(fēng)帆隨時(shí)間消耗能量，如果你關(guān)掉你的汽車引擎，它會(huì)因?yàn)槟Σ炼鴾p速(空氣，輪胎)。磁帆也有同樣的作用，其中的摩擦力來自于星際氣體。

燈塔飛船接近可能適宜居住的系外行星比鄰星b。圖片版權(quán)：PHL @ UPR Arecibo

這種方法的優(yōu)點(diǎn)之一是可以使用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建。磁帆背后的關(guān)鍵技術(shù)是一個(gè)Biot Savart回路，當(dāng)它與高能物理中使用的相同的超導(dǎo)線圈配對(duì)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)。使用這樣的帆，甚至更重的宇宙飛船——重量達(dá)到1500公斤(1.5公噸)；3307磅可以從星際航行中減速。

一個(gè)大的缺點(diǎn)是這樣的任務(wù)需要時(shí)間。根據(jù)Gros自己的計(jì)算，依靠磁動(dòng)量制動(dòng)的高速交通將需要一艘重約100萬公斤(1000公噸)的飛船。然而一個(gè)涉及1.5噸重的飛船的星際任務(wù)將能夠在大約12000年的時(shí)間里到達(dá)trappist - 1。

這需要很長的時(shí)間(因?yàn)樾请H媒體的密度非常低)。如果想在有生之年看到回報(bào)(科學(xué)數(shù)據(jù)，令人興奮的圖片)，那就太糟糕了。磁帆工作，但只有當(dāng)你樂于接受(非常)長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)時(shí)。換句話說，這樣的系統(tǒng)不會(huì)像突破攝星的Starshot所設(shè)想的那樣為納米飛行器工作。

一個(gè)階段性的激光陣列，可能在智利的高沙漠，推動(dòng)飛船的旅程。圖片：Breakthrough Initiatives

[Gros]的結(jié)論是：對(duì)星際氣體的破壞只有在低速時(shí)才可行，甚至還需要一艘寬幾十英里、重達(dá)數(shù)噸的帆。問題是以如此低的速度，到最近的恒星的旅程將需要一千年的時(shí)間。

“突破攝星計(jì)劃”旨在以五分之一的光速發(fā)射宇宙飛船，這樣它就能在人的一生中到達(dá)最近的恒星。很難讓人們對(duì)一段無法親眼目睹的旅程感到興奮。如果人類的壽命可以通過基因工程延長到幾千年，那么Gros所考慮的類型的設(shè)計(jì)肯定會(huì)更有吸引力。

但是對(duì)于像《創(chuàng)世紀(jì)》這樣的任務(wù)，在2016年提出的Gros計(jì)劃，時(shí)間并不是一個(gè)因素。這樣的探測(cè)器將攜帶單細(xì)胞生物——要么編碼在基因工廠里，要么儲(chǔ)存為低溫冷凍孢子——這可能需要數(shù)千年的時(shí)間才能到達(dá)鄰近的恒星系統(tǒng)。一旦到了那里，它就會(huì)開始播種那些被認(rèn)定為“可居住”的行星，這些行星都是單細(xì)胞生物。

對(duì)于這樣的任務(wù)，旅行時(shí)間不是最重要的因素。重要的是減緩和建立行星軌道的能力。這樣，宇宙飛船就能在附近的星球上播下陸地生物的種子，這可能會(huì)在人類探險(xiǎn)者或定居者的推動(dòng)下，慢慢地形成地球。

考慮到人類需要多久才能到達(dá)最近的太陽系外行星，一個(gè)持續(xù)幾百年或幾千年的任務(wù)沒什么大不了的。最后我們選擇進(jìn)行星際任務(wù)的方法將歸結(jié)為我們?cè)敢馔顿Y多少時(shí)間。為了探索，權(quán)宜之計(jì)是關(guān)鍵因素，這意味著輕型工藝和難以置信的高速。

但是，長期目標(biāo)——比如將其他世界與生活結(jié)合起來，甚至將它們用于人類定居——是令人擔(dān)憂的，緩慢而穩(wěn)定的方法是最好的。有一件事是肯定的:當(dāng)這些類型的任務(wù)從概念階段轉(zhuǎn)移到實(shí)現(xiàn)時(shí)，它肯定會(huì)令人興奮地見證！

知識(shí)：科學(xué)無國界，博科園-科學(xué)科普

參考：Goete University Frankfurt, Journal of Physics Communications