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人类实现星际旅行的切实方法

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燃烧的岛群 2021-11-27 11:26
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人类实现星际旅行的切实方法之光帆飞船

人类要进行恒星际的旅行,面临的最大问题是目的地的距离实在太远了,而我们目前建造的太空飞行器速度实在是太慢了(最多在每秒百公里左右,以这个速度在太阳系内旅行还凑合)。太阳的直径约 140 万公里,如果我们把它缩小到玻璃弹珠大小(直径 1.5 厘米),那么在相同比例下,距离我们最近的比邻星也远在 430 公里之外,明亮的天狼星更是远达 880 公里,而著名的牛郎星和织女星则分别为 1700 公里和 2600 公里。如此巨大的空间距离,确实令人望而却步。

不过在茫茫宇宙中,勇敢者或许还是有的。 2017 年 10 月 19 日,加拿大天文学家威里克在夏威夷哈莱亚卡拉天文台通过望远镜首次发现了神秘天体“奥陌陌”( Oumuamua ,意为“第一个来自远方的使者”)。神秘在哪呢?首先这个小天体的运动速度快极了,每秒几十公里,突然闯进太阳系然后飞离,飞离时的特殊加速现象很难用太阳引力来解释;其次它的长宽比很大,远超最极端的小行星和彗星;第三这东西非常明亮,表面看起来像是金属物质。后来美国哈佛大学天文系主任勒博经过分析研究认为,“奥陌陌”可能是外星文明“光帆”的一部分,其反常离奇的运动方式,可以由光压给予解释。也就是说,“奥陌陌”可能是外星人在星际旅行过程中丢弃的科技产物。勒博将他的研究成果发表在了 2018 年的《天体物理杂志》上,到 2021 年 1 月更是出版了一部新书——《天外来客:地球外智慧生命的第一个迹象》,引起了全世界的轰动。

奥陌陌的想象图

“奥陌陌”是否是外星人的科技遗物暂且不论。我们可以先来讨论一下使用光压做动力真的能实现人类的星际旅行梦想吗?

光其实是会产生压力的,尽管这个力量通常都非常弱小,很难察觉。不过我们看到彗星在靠近太阳时,密度极低的气态彗尾总是背对太阳方向,其实就是因为受到了太阳光压的作用。受此启发,科学家设想出了一种太阳帆航天器。就如同风帆可以拖动水面的船只航行一样,猛烈的太阳光就是宇宙中的“风”,因此受光压推动的光帆也可以拖动航天器在太空中航行。而且由于宇宙空间是真空的,没有摩擦力,所以尽管光压的作用力很小,但只要持续下去,最终仍然可以把航天器加速到很高的速度。据推算可达光速的百分之几,远超人类使用化学火箭发射的任何航天器的速度。

设想中的光帆由高反射率且韧性十足的超薄材料制成,直径可达数百公里,后面拖着一个大型航天器,进行星际远征。这个方案看上去颇为美妙浪漫——古人在地球的海面上扬帆远航,探索未知世界,未来我们乘着光波启航,征服星辰大海。但这里面其实有个重大缺陷,那就是随着距离增加太阳光会急剧变弱,实际上只航行到土星轨道附件太阳光的强度就不足地球附近的百分之一了,很难进行持久的加速。这意味着在以光年为单位的太空航程中,太阳帆航天器所能达到的最终速度仍然是不能令人满意的。

好在随着激光技术的发展,人类可以造出能量密度和聚焦性都远超太阳光的光波波束,于是以高功率激光为动力的星际飞船方案就应运而生了。这种星际飞船主要由两部分组成,第一部分是一块直径 250 公里的光帆,另外一部分是由光帆拖着重达 1000 吨的太空飞船,载着人类进行星际远航。刚出发时光帆飞船仍然由太阳辐射提供动力,当飞行到外太阳系光线大幅减弱后,高能激光则接手继续推动飞船前进。

可以想象,发射激光所需的能量将是极为惊人的,因此科学家设想在尽可能靠近太阳的太空轨道上建造多个大型激光基地,编成一组环绕太阳运行,这样能量的获取就可以来自免费的太阳能。将来即使光帆飞船已经飞离太阳系很远,在电脑精密控制下的一道道高能激光束仍然可以准确地射到光帆上,推动飞船不断加速。据推算,在使用激光稳定、持续地推动光帆约 8 年后,星际飞船的速度将达到光速的三分之一。如果我们的目的地是最近的比邻星(距离 4.24 光年),这一速度无疑已经相当可观了。

在真空、失重的宇宙环境中,加速飞船或许是容易的,但要减速就麻烦多了。三分之一光速实在太快了,绝对超过任何恒星的逃逸速度,这意味着我们的飞船到达目标恒星系后不可能被对方引力捕获,而只是一掠而过,不能停留。那么这就成了一次单程的自杀式宇宙航行,显然这不是我们的初衷。那么有什么办法能让飞船减速吗?科学家还真想出了一个巧妙的解决方法。和地球拥有磁场一样,我们所在的银河系也有微弱的磁场。在星际飞船航行的半途中,飞船将伸出两根长长的电线,加上数百万伏特的电压后,产生的电场就会与星际空间的银河磁场相互作用,其结果就是使飞船缓慢地发生转向。经过漫长而巨大的 180 度磁力转向后,光帆飞船就得以绕到比邻星的背后。此时太阳系内的激光阵再次启动,就能为光帆提供减速动力了。通过计算,如果采用以上方案进行星际旅行,那么我们有望在 37 年内到达比邻星恒星系。如果航天员 20 岁时从地球出发,到达目的地时还不到退休年龄。

但是返回地球怎么办呢?解决的方法就是要在比邻星的轨道上建造一套同样的激光阵推进系统。如果出发地和目的地两头都有强力激光能量提供,那么光帆飞船的单程飞行时间就只需要约 10 年,往返就是 20 年左右。因为两个方向都有激光能量可以实施加速和减速,飞船不需要磁力转向,旅程时间当然就大大缩短了。

但是激光动力也有局限性,那就是随着距离增加,激光光束仍然会不可避免地扩散开来,能量密度降低,从而无力再推动光帆前进了。这意味着人类乘坐光帆飞船最多只能航行到距离我们最近的几个恒星系。距离更远的星际旅行还得依靠核聚变动力火箭,这就是下一篇文章的内容了。

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