探望近邻的袖珍飞船

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻译 程思淼

探望近邻的袖珍飞船

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻译 程思淼

柯文采（Thijs Kouwenhoven）西交利物浦大学数学科学系

星际旅行之梦

自从第一枚火箭进入太空以来，梦想到月球或太阳系的其他行星、甚至其他恒星上旅行的人络绎不绝。现在50多年过去了，人类只踏上了月球的土地。主要原因在于，载人飞船实在太昂贵了。程控太空探测器则拜访了我们太阳系中多得多的地方。迄今，无人飞船已经登陆了太阳系内包括金星、火星在内的多颗行星，以及若干卫星、小行星和彗星。另外，在飞往目的地的旅途中，很多飞船还近距离地观察了太阳系中很多其他的天体。

最近的例子是“新视野号”飞船。它去年从冥王星和它的卫星身旁飞过。在飞过冥王星的时候，“新视野号”拍摄了它的第一批冥王星照片，而现在它正以49600千米/小时（13.8千米/秒）的惊人速度远离太阳系而去。它是迄今运动最快的人造航天器。但即便以这样快的速度，它也需要75000年才能到达最近的恒星——距我们4.25光年的比邻星。

“突破射星”计划

宇宙中可能的最快速度是光速（约300000千米/秒）。要拜访离我们最近的恒星和它的行星，宇宙飞船必须以与光速可比的速度飞行才可以。问题在于，把飞船加速到这样高的速度需要很多能量，因此需要很多钱。

为了在21世纪之内实现（通过无人飞船）星际旅行的梦想，2016年4月，一些著名的物理学家（提供智力支持）和商业领袖（提供资金支持）联合提议了一项名为“突破射星”（Breakthrough Starshot）的计划。其中包括著名物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）、俄罗斯风险投资家尤里·米尔纳（Yuri Milner）和“脸书”（Facebook）首席执行官马克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）。

他们计划从地球上发射一艘普通的飞船（母飞船），其中装满成千艘厘米级的袖珍飞船。母飞船进入太空以后会释放这些袖珍飞船，而它们将高速奔赴其他的恒星。使用厘米级飞船的优势在于，比起加速一艘大飞船，加速这些小飞船需要的能量会小一些。这些袖珍飞船将搭载传感器和计算芯片，并且与地球上的科学家保持联络。

这些飞船将利用光帆来推进，而不是火箭。从地球上发射的激光束将使这些袖珍飞船很快加速到光速的20%（60000千米/秒）。凭借这样的速度，到达邻近的恒星只需要20～30年。当这些袖珍飞船各自到达目的地之后，它们将研究那里的行星，并把结果传回地球。这些信号以光速传播，到达地球又需要4～6年的时间。于是，我们（或者说，至少我们发射的无人飞船）只需短短几十年，就可以对其他的恒星进行实地考察了。对一个人来说，这时间是够长了，不过比起常见的火箭燃料的飞船，这已经快了1000多倍。

2016年4月12日，英国物理学家斯蒂芬·霍金与俄罗斯投资人尤里·米尔纳提出了“突破射星”计划。尤里·米尔纳手持“星际薯片”太空探测器的原型，宣布他将为该项目提供1亿美元。这大约是启动项目所需总资金的1%。

人们将用强力的激光瞄准“太空薯片”飞船的光帆，使它们加速到光速的20%。这些激光的功率高达100G（1000亿）瓦特，相当于全英国每天用电高峰时段的总功率。图片来源：UCSB Experimental Cosmology Group

星际介质带来的危险

太空几乎是空的。从我们的太阳系到邻近的恒星，其中的物质是那么少，以至于完全挡不住恒星发出的光。这就是我们夜里能看见星星的原因。使用威力强大的望远镜，我们甚至能看到宇宙另一边的星系。不过，太空毕竟不是完全空的。其中稀疏地分布着原子和尘埃颗粒（两者统称“星际介质”），还有辐射。它们的数量相当地少，通常可以忽略不计。

但是，当我们横穿太空飞行之时，撞上一粒秒速60000千米的尘埃颗粒，滋味可是不好受的。而对于为了通过光帆达到高速度，因而以尽量轻巧为原则设计的厘米级袖珍飞船来说，这种碰撞尤其具有灾难性。一个由加拿大和美国天文学家组成的团队决心研究星际物质对飞船的撞击。毕竟，要是花费数十亿美元设计和发射的飞船全部撞毁在路上，那可就惨了。他们的研究结果以“相对论性飞船与星际介质的相互作用”（The interaction of relativistic spacecrafts with the interstellar medium）为题发表在《天体物理学期刊》（Astrophysics Journal）上（Hoang et al, 2016）。

星际旅行的风险分析

在论文中，作者黄添（音译）等人考虑了星际旅途中来自环境的四种危险：

1. 轻元素的原子；

2. 重元素的原子；

3. 尘埃颗粒；

4. 星际辐射。

它们各自产生的影响总结如下。

1.与轻元素的原子相撞

氢与氦是周期表中最轻的两种元素。宇宙中大约90%的原子是氢，9%是氦。因此，太空探测器将主要与这些原子相撞。幸运的是，虽然撞击时的速度很大，但只要飞船有硬质隔热层保护，这些原子只会对其造成轻微的损伤。它们会轻微地加热飞船的前部，但如果没有保护的话，还是会对计算芯片产生伤害。不过从另一方面来看，这其实也有一定的好处：当飞船前部热而后部冷时，会产生“热电池”的效应，为计算芯片、传感器和天线提供额外的能量。

2.与重元素的原子相撞

除氢与氦外的所有原子共占宇宙中原子总数的1%，其中主要是氧、碳、氮和铁。尽管它们其实并不是特别重，但是对于星际旅行来说，这些元素还是要叫作“重元素”。与氢和氦不同，它们会损伤飞船。在这些原子的共同撞击下，太空探测器在飞往我们附近恒星的旅途中会损失0.1毫米厚的隔热层。这当然不是什么大数目，但如果我们考虑到探测器在发射时轻微的增重也会给项目的成本带来可观的增加，这就不是微不足道的了。

夜空中的是银河（左）与黄道光（右），前景是位于智利阿塔卡马沙漠的甚大望远镜（Very Large Telescope，VLT）。如果读者所在的地区光污染比较小，也许之前也会看到过黄道光。黄道光是弥漫在黄道附近的微弱的橙黄色光，它是由太阳系中的尘埃反射太阳光造成的。这些尘埃大多源于最近一百万年来的小行星撞击事件。袖珍飞船在旅途中得避开这些尘埃区。离开太阳系之后，与尘埃颗粒相撞的概率就几乎为零了。图片来源：Gerhard Hudepohl

3. 与尘埃颗粒相撞

星际尘埃颗粒跟我们在家里看见的尘埃有点像，不过要小得多。一粒典型的尘埃包含的原子数目从几百个到几十万个不等。显然，我们的太空探测器撞上一个尘埃颗粒造成的伤害，可比撞上单个的原子要大多了。尘埃颗粒撞击造成的伤害取决于它们的质量。与较大的尘埃颗粒高速相撞，会导致一场摧毁整个探测器的小型爆炸。这些较大的颗粒在我们的太阳系中时有出现，而幸好在星际介质中极其稀少。撞击的概率可以通过尘埃在不同地方的密度和飞船旅行的时间来计算。幸运的是，飞船穿过太阳系的旅途极其短暂，而漫长的、穿越星际介质的旅程又几乎没有尘埃，总的来说，这种爆炸式撞击发生的概率非常低，可以安全地忽略。换句话说，尘埃不是大问题。

4.与星际辐射场的相互作用

星际空间充满了朝着各个方向传播的辐射。这一锅“辐射汤”是由各种事件共同“烹调”而成的：超新星爆炸、恒星爆发、大爆炸遗迹，等等。这些辐射中的大部分光子是无害的。只有高能的光子才具有破坏性，因为它们能够干扰甚至摧毁飞船上搭载的计算芯片。一个导电外壳将能够保护飞船免受大部分辐射的伤害，虽然有时候干扰还是难以避免。

如何建造“合格”的飞船？

恒星之间的空间几乎是空的，星际介质对于大型的飞船来说不是什么问题：能够把宇航员运送到其他行星系统去的飞船都有着厚厚的外壳，很容易挡住原子和尘埃颗粒的撞击。但是，对于“突破射星”提出的厘米级袖珍太空探测器来说，如上所述，尘埃、原子和辐射都将成为很大的问题。

黄添等人给出了一些保护探测器平安到达目的地的办法。安装保护壳的效果最好。根据他们的计算，用耐冲击的材料制成的保护壳，厚度只要1毫米就够了。研究者比较了不同材料在强烈撞击下所受影响的各种试验，发现石墨最适于制作保护壳。

飞船的设计也很重要，尤其是它的横截面，也就是面对原子与尘埃撞击的表面面积。把飞船设计成针形是有利的，因为这样一来，面对原子和尘埃冲击的只有针尖的一点。为了减少撞击的次数，太阳帆在旅途中也必须折叠起来。

除了使用保护壳以外，理论上讲还有一种保护飞船的可能手段，那就是避免撞击。尽管现在这还只能说是科学幻想，不过研究者提到了实现它的几种可能机制。通过随时调整行进路线来避免撞击是不现实的，因为这将消耗太多的能量。另一个办法是用激光束摧毁尘埃颗粒。或者也可以不摧毁，而是用激光束推开那些尘埃，这样做恐怕更便宜也更现实一些。另外，鉴于很多星际颗粒是带电荷的，通过在飞船上产生一个电场或者磁场，使这些颗粒的运动方向发生偏转，也是可行的。依我看，这些想法都很好，不过相比之下，还是造一个稍微厚些的保护壳要更简单、便宜，也更可靠得多。

艺术家绘制的“太空薯片”太空探测器想象图。“突破射星”计划旨在向太空中发射数千艘这样的袖珍探测器。图中显示了展开的光帆，飞船正是凭借它达到0.2倍光速的。飞船的主体只有大约一厘米大小，在本图中很难分辨出来。图片来源：BREAKTROUGH STARSHOT Initiative

到达邻近恒星的旅途只需要几十年时间，因此它们将是“突破射星”计划最好的目标。天文学家对南门二（半人马α）三星系统中的三颗恒星（南门二A、南门二B和比邻星）尤其有兴趣，因为我们已经知道，其中后两颗星具有行星系统。来源：Wikipedia

这样的想法有人提出过吗？

“突破射星”计划提出了用袖珍太空探测器探索银河系的卓越方案。尽管现有的技术可能还不足以很快就发射这样的探测器，但也许50年，或者100年之内，我们就能发射它们了。通过这种方法，我们（或者说，至少我们在飞船上搭载的微型计算机）在几十年之内就能到达那些邻近的恒星。而银河系的直径大约10万光年，因此，我们的探测器（以0.2倍光速飞行）将能够在几百万年之内飞抵银河系千亿颗恒星中的几乎每一颗。

当然，几百万年对于人类，乃至对于一个可能的（外星）文明来说，都是极其漫长的。不过，比起行星、恒星和星系的寿命来，它只是短暂的一瞬，几乎等于零。这不禁引发了我的好奇：会不会银河系中的某个文明在十亿年前就已经有过了这样的想法？又或者，会不会在很久以前某个地外文明（或很多不同的地外文明）就提出了相同的方案？如果答案是肯定的话，那么他们的袖珍太空探测器应当在很久之前就到达我们的地球了。而且这些地外文明的探测器应当还在不断到达地球，并且仍然在向它们的母行星发射无线电联络信号。

然而，我们迄今还没有发现任何这类地外文明的探测器的证据，也没有在外太空发现任何联络信号。这意味着什么？发射大量袖珍太空探测器到其他恒星是不可能的吗？“突破射星”的命运已经注定了？还是说我们是银河系中第一个提出这种方案的？抑或我们是宇宙中唯一的智慧文明？地外文明有意避开了地球吗？又或许，只是我们找得不够努力？我不知道答案。各位读者，你们怎么看呢？

（责任编辑 冯翀）