突破摄星计划：走出太阳系

方陵生/编译

突破摄星计划：走出太阳系

方陵生/编译

美丽的比邻星b的艺术构想图是我们的美好想象。但在一代或两代人的时间里，下一次太空探索任务将向我们展示一个真实的比邻星

●一个“狂热”的计划已初具雏形：进军最近的太阳系外行星。以下是向比邻星b进军的“突破摄星”计划的一些细节问题。

2016年8月，天文学家给想要近距离观察外星世界的人送了一份激动人心的大礼，研究报告称发现了一颗绕着离太阳最近的邻居——比邻星旋转的行星，一颗与地球大小相似的疑似宜居行星，它离我们仅仅只有1.3秒差距或者说4.22光年。

这是人类向外太空进军的一个非常诱人，甚至是不可抗拒的目标。向这颗被称为比邻星b的星球派遣宇宙飞船，人类将首次看到太阳系外的行星世界。“抵达离我们最近的恒星系统，意味着人类向太空进军又迈出了新的一大步。”美国加州行星协会科技部主席布鲁斯·贝兹（Bruce Betts）说道。届时从太空传回的数据可提供这个外星世界是否具备生命生存的条件，甚至是否已有生命存在的信息。

如今，抵达比邻星b的想法已经不再是科幻小说中的情节。事实上，在这颗系外行星被发现的几个月前，一群商界领袖和科学家已经宣布了造访半人马座阿尔法星恒星系统的计划，比邻星就在半人马座阿尔法星系中，这个由俄罗斯投资者尤里·米尔纳（Yuri Milner）投资1亿美元支持的被称为“突破摄星”（Breakthrough Starshot）的太空旅行计划将极大地加速人类对太空的研究和开发。比邻星b被发现后，这个项目又有了一个更诱人的目标。

然而，要抵达那里并非易事，尽管比邻星b的名字听起来就像地球的隔壁邻居，但事实上它与地球的距离几乎是迄今为止人类发射人造物体进入太空最远处的2 000倍。科学家必须以光速1/5的速度冲破太阳系和星际空间无数太空碎片带来的重重危险，才能在有生之年抵达比邻星b，另外还要以每秒6万公里的速度低空飞越比邻星星系时收集有用数据并从4光年之外传回地球。这一切都是巨大的工程挑战，但研究人员称该计划是可行的，目前正在朝着这一方向努力。

其他研究团体也将目标瞄准了太阳系附近的恒星系统，但都没有“突破摄星”计划的动力——或者说资金。没有参与Starshot计划的天体物理学家也认为这是未来几十年里最有现实可能性的星际任务。Starshot计划汲取了科学家近年来发表的相关论文中的精华形成了新的太空探索理念，纽约哥伦比亚大学一位非Starshot团队成员的天体物理学家迦勒·沙尔夫（Caleb Scharf）说道。

“突破摄星”任务的策划者计划在未来几个月的时间内开始投资技术开发项目，具体目标是在未来20年内推出激光推进的微型太空探索舰队，该计划将耗资约100亿美元，然后再用20年时间抵达半人马座阿尔法星系。

发射

“突破摄星”这样的太空任务，第一个真正的挑战是要将航天器加速到星际速度，传统的火箭不可能做到，这是因为它们无法存储足够多的燃料形式的化学能。项目咨询和管理委员会成员、加利福尼亚大学的天体物理学家菲利普·卢宾（Philip Lubin）说道，“化学能燃料可以将我们送到火星，但到不了其他恒星。”

因此，摄星计划将解决这个问题的希望放在了如何驾驭光能上。自20世纪初开始，科学家就已经知道光有动能，可以推动物体。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和行星协会的研究人员向太空发射了由阳光推进的大型光帆，展示了利用太阳光的光压进行宇宙航行。但太阳光能不足以将飞船加速到抵达半人马座阿尔法星的速度，那将需要一个极其巨大而笨重的光帆，贝兹说道。2015年时他领导的一个团队曾布置了一个32平方米的太阳帆。

为此Starshot计划对20多种走出太阳系动力推进系统的点子进行了评估，但“几乎所有”的设想都可望而不可及，项目执行主任皮特·沃顿（Pete Worden）说道。最后选定的是卢宾提出的激光推进技术。2015年曾推出20年内发送一艘航天器抵达半人马座阿尔法星路线图的卢宾建议，在地球上用一个激光阵列生成足够强大的推力来推动一个较小的光帆。

Starshot团队计划用常规火箭将探测器送入轨道，然后在地球上用100千兆瓦的激光阵列几分钟时间内持续不断地为光帆提供动力，足以让光帆加速到每秒6万公里。

Starshot项目策划者坦承，他们正在期待激光行业的突破。100千兆瓦的激光比今天最大的数百千瓦连续发射的激光要强大100万倍。弥补这一差距的方法是将分布在至少1公里范围内的亿万激光束集合起来。但光波要能相互补充，而不是相互抵消，这是一个需要投入大量研发力量的艰巨任务。

航天器

Starshot计划发射的航天器与之前发射进入太空的航天器完全不同，它是一个由电子器件、传感器、推进器、相机和电池组成的只有大概1厘米见方的芯片，置于宽约4米的圆形或方形光帆的中间。航天器总重量只有1克，重量越轻，给定的推力可以加速的速度就越快。

为从激光束获得最大化的速度以及最小化的光能损失，光帆需要反射几乎所有的入射光。合适的材料已经有了，那就是薄层的电绝缘器，可反射多达99.999%的入射光，接近于需要的阈值。研究人员还需要研究材料对所需强光水平的反应，材料的反应有可能产生意料之外的光学效应。

加速阶段光帆需要保持平稳，积极感应激光束的缺陷并做出补偿，这样航天器才能保持在规定航线上，一开始即使很微小的偏差导致的轨道偏离也会失之毫厘谬以千里。一个解决方案是让光帆不断旋转航行，产生将它拉紧的离心力，激光束若有不规则行为也可平均分摊到光帆的各个部分。JAXA已演示了一个旋转的太阳帆，沃顿认为这个创意“看起来非常有前途”。

无论设计上如何考虑，光帆必须坚固牢靠。100千兆瓦激光束的击打力是很强大的，产生的重力加速度是地球上物体所承受重力的几万倍。

Starshot的计划拥有数量上的优势。这种航天器很小，成本相对较低，因此每天可以发射一个或更多的航天器，哪怕因失败而损失其中一些也承受得起。

探测器将分阶段开发，沃顿说道。第一步是构建一个原型系统，可以加速到大约每秒1 000公里，只有Starshot计划速度的2%，总成本在5亿至10亿美元之间。

计划飞往比邻星b的航天器，类似于“突破摄星”创建人尤里·米尔纳手中所持的芯片

太空旅途

升空几分钟后，激光系统将关闭，当探测器达到光速的1/5并走过了几百万公里（约地球到月球距离的5倍）时，未来20年将是一段无比沉闷的旅程。

这一阶段面临的最大风险是与太空尘埃、氢原子和其他星际介质中的粒子碰撞造成的损害，另外还有来自于宇宙射线的危险，以接近光速的速度穿越宇宙空间的原子核甚至有可能影响到航天器上重要电子器件的正常功能。没有人确切地知道星际空间充满了多少粒子，也不知道这些粒子会有多大，但Starshot已有了保护航天器不受太空粒子损伤的方案，他们将在航天器的前缘涂上至少1毫米厚的铍铜涂层。

即使太空粒子不会对航天器造成破坏，一次撞击也有可能令飞驰中的探测器偏离航向。因此，探测器将需要自己的导航和控制系统，这个系统以放射性同位素钚-238核电池为动力。这些系统将需要基本的人工智能，以监控恒星的位置，通过发射光子推进器调整航线。“我想说的是，芯片真正需要像尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong，第一个离开地球登上月球的人）或查克·耶格尔（Chuck Yeager，二战中的王牌飞行员，1947年成为第一个突破音速的人）这样的人工智能，在出现以上所述问题时做出关键性的决策。”沙尔夫说道。

但任务设计者不可能将所有的风险都消除掉，尤其是来自于星际介质中那些至今未知的因素。这也是他们正在考虑一旦推进系统原型建成后，就尽快发射试探性探测器的原因，早期发射的航天器可提供星际介质的样品和报告，以填补天文学家对太空环境了解上的空白。

低空飞越比邻星

如果一切按计划进行，大约在2060年左右，Starshot航天器的机载计算机将醒来，与地球连通，进行周期性状态检查，并检测到它接近比邻星并准备低空飞越的状态。

专家们一致认为，最高优先级的任务将是拍照。卢宾估计航天器应该能够飞到离比邻星b一个天文单位的位置，即从地球到太阳的距离。即使在这样远的距离内，也可以拍摄到一些有价值的照片，例如，它是否像我们地球一样是一个有水的绿色星球，还是像火星一样贫瘠荒凉，还可以拍摄到一些大比例的地貌特征，如山脉和陨石坑等。

机载光谱仪可以探测到这颗行星上的大气层构成，如果它真有一个大气层的话。研究人员将在这些成分中寻找如氧气、甲烷以及更复杂的碳氢化合物分子，这些都是可能有生命存在的信号。通过其他一些仪器还可以尝试检测星球上的磁场或其他变数，以确定比邻星b是一个拥有适合生命孕育环境的星球，还是一个不适于生命、生存环境严酷的星球。

航天器抵达比邻星后没有办法将速度慢下来，因此它将在大约两个小时内快速穿过这个恒星系统，这对于测量仪器的设计也是一个很大的挑战。没有照相机能够在1/5光速的移动过程中将照片拍摄下来，航天器上的相机必须不停地旋转，才能让这颗行星一直保持在它的视域范围内，地球上的计算机必须对相机角度变化以及与比邻星b距离变化对图像造成的扭曲进行校正。

项目负责人坦承，Starshot还有一个最为艰巨的挑战尚未解决：如何通过只有约1瓦特的激光脉冲将数据从比邻星传给地球上热切期待的天文学家？又如何让信号在经过4.22年的太空旅程之后，其强度仍然足以在地球上被检测到？卢宾设想在地球上建立一个1公里宽的检测器阵列，以捕捉航天器传回来的微弱信号，这个阵列可能将占据激光加速器同样大小的一片区域。

机载核电池将为电容器提供动力，使激光束尽可能明亮，类似于相机的闪光灯。也可能将利用光帆作为天线来增强信号，但在广袤无边的黑暗宇宙中，激光光束仍然只是一束脆弱的光。

另一种办法是，发射一系列航天器进行分程传递，这样每个芯片上发出的信号可能只需传送1/10秒差距（0.2光年）的距离，而无须全程传送。但卢宾等人提请注意的是，这个计划也可能产生更多的复杂问题。

太空探索新能力

没有参与这个项目的一些专家对此喜忧参半。在增加激光功率和其他必需技术方面，“我认为还有许多巨大的挑战。”华盛顿特区光学学会首席科学家格雷戈里·夸尔斯（Gregory Quarles）说道。但他补充说，大量私人和公共投资将促进光学和材料领域内的研究，“这些投资终将会有回报。”

Starshot的微型航天器与以往执行太空飞行任务的航天器完全不同。“没有什么是完全不可能的，他们的计划不是要向另一颗恒星发射一艘大型飞船。”沙尔夫说道。

然而，另外一些人担心多重技术障碍是不可逾越的。“对这项计划的近期前景我持谨慎态度，”贝兹说，“任何一项技术似乎都可以实现，但当你意识到需要将这么多东西都塞进一个一点点小的很轻的东西里时，问题就不那么简单了。”

太空探索组织主席安德烈亚斯·兹拉斯（An dreas Tziolas）认为，即使Starshot能够到达比邻星b，也有可能无法提供有用的数据。“从半人马座阿尔法星将图像发回地球的成功率几近于无，如此小的航天器不可能携带传输信号的足够动力。”他说。他的团队也在研究激光推进，但他目前正致力于一个以核聚变为动力的任务，该任务可在一个世纪的时间内发送大的航天器到半人马座阿尔法星，一个强大到足以发回有用数据甚至可以运送机器人探测器的航天器。

在向我们的近邻比邻星b发送航天器之前，天文学家仍然可以对它有更多的了解。定于2018年年底发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜以及几个大型地面望远镜可能将在未来10年里开始工作。通过这些望远镜，天文学家可以确定这个系外行星的大气层里是否有生命存在的迹象。

但正如任何太空探索者都会说的那样，没有什么能够比得上亲临某处进行实地探察。例如2015低空飞越冥王星任务发现了这颗星球上的大冰山和含氮冰川，这些是地球上最强大的望远镜都看不到的。同样，比邻星b以及其他近地系外行星可能给我们带来的惊喜也只有与它们进行亲密接触之后才有机会一睹真容。

任务的支持者称，这项计划还将有更大的回报。“在我看来，Starshot是我们进军太空能力的拓展，就像当年进军月球的意义一样。”项目顾问委员会成员、伦敦星际研究团体负责人开尔文·朗（Kelvin Long）说道。将航天器送往比邻星的激光阵列推进技术可在几天之内将探测器发送到太阳系内的任何地方或在一两个星期内发送到太空中含有大量星际介质的地方，他说。

这种能力可以令人类对太阳系的探索成为常规活动。“这将是人类太空探索能力的一个巨大的进步。”卢宾说道。

[资料来源：Nature][责任编辑：彦隐]