大膽探索：利用磁白矮星作為宇宙航行的中轉(zhuǎn)站

□ 韓厚康 韓厚健

太陽系以外的“恒星－行星”系統(tǒng)（藝術(shù)想像圖。恒星為紅矮星）

1995年10月6日，瑞士天文學(xué)家首次確認太陽系外有顆行星（其主星“飛馬座51”離地球51光年）。以后隨著高解像度光譜學(xué)技術(shù)的進步，到2009年被發(fā)現(xiàn)的系外行星已超過400顆。2011年2月20日，美國航宇局項目主管威廉·波魯克奇宣布：上天不到兩年的開普勒空間望遠鏡，在普查銀河系局部區(qū)域時，新發(fā)現(xiàn)了1235顆潛在的行星，其中54顆位于既不冷又不熱的“可居帶”里（專家們由此推測，銀河系“可居帶”中的行星可能有5億多顆）。此消息使“宇宙航行”、“尋找地外生命，接觸地外文明”再度成為科技界和媒體大眾的熱門話題。盡管筆者深知飛往“系外行星”困難重重，但受此消息的鼓舞，決定把思考了幾年的“利用磁白矮星作為宇宙航行的中轉(zhuǎn)站”寫出來，與有興趣的朋友們討論交流。

從錢學(xué)森“設(shè)想”說起

1963年2月，中國航天事業(yè)奠基人錢學(xué)森的專著《星際航行概論》出版。在書中，錢老精辟地分析了“恒星世界的宇宙航行”，并提出了重要的“設(shè)想”，其三個要點如下：

1.不能靠化學(xué)燃料動力實現(xiàn)宇宙航行。從太陽系飛到其它恒星，路途極其遙遠。錢老認為：“如果用現(xiàn)在我們能達到的每秒幾十千米的速度，就是到最近的幾顆恒星附近去也要幾萬年，這種旅行是不可設(shè)想的”。

2. 實現(xiàn)宇宙航行必須大大地增加航行速度，而且必需付出相當(dāng)大的能量減速。錢老認為：“要突破太陽系的范圍，進入大宇宙，必須大大地增加航行速度，直到接近光的速度”。為此錢老設(shè)想了一個飛向半人馬座α星的技術(shù)方案：“設(shè)想宇宙飛船最高速度為0.80倍光速，而噴氣速度為光速的0.60倍。用二級火箭（每一級的質(zhì)量比6.24）,一級用來加速火箭到0.80倍光速，一級作剎車之用。最大加速度約2g，那么加速和減速對飛船中的人來講各為1年,等速飛行一段時間對飛船中的人來講是2.5年，共需4.5年……”。

3.“能源”是實現(xiàn)宇宙航行的關(guān)鍵。錢老認為：“就是用今天看來是最強的能源，也解決不了宇宙航行的問題”。

錢老48年前對“設(shè)想”的評價是：“這是不可設(shè)想的質(zhì)量比。所以就是用今天看來最強的能源，也解決不了宇宙航行的問題。因此，宇宙航行不同于星際航行，星際航行是現(xiàn)實的，而宇宙航行還只不過是一個偉大的理想”。

人類進入太空已半個多世紀，實踐證明48年前錢老的判斷和擔(dān)心都是正確的：

1. 已飛出太陽系的“旅行者”1號探測器的速度約5億千米/年，而到半人馬座α星的距離是4.38光年（合41.4萬億千米），要飛8.3萬年才能到達，這種旅行的確“不可設(shè)想”！

2.為“大大地增加航行速度”，科學(xué)家們設(shè)想了諸如核聚變動力火箭（包括一般受控核聚變和核聚變脈沖推進）、激光動力推進、光子火箭推進（正反物質(zhì)的湮滅反應(yīng)）等方案，但都局限于“紙上談兵”，工程上都遭遇難以逾越的障礙（按美國人布里斯.卡塞蒂的分析，利用火箭向半人馬座α星發(fā)送一艘飛船，至少要耗費地球上已產(chǎn)出的全部能量。有人甚至認為要比此估計值還要高出百倍）。

白矮星（a．中亮星為主星天狼星A）

激光動力推進器

但“宇宙航行”是不是就絕對無解呢？

天無絕人之路。近幾年來，筆者的目光盯住了錢老設(shè)想中的“一級作剎車之用”。誠然，不剎車不行（否則飛船只能在目標區(qū)“一閃而過”），剎車又消耗巨大的能量（若能找出其它方法剎車省掉一級火箭，按“每一級的質(zhì)量比6.24”計算，火箭的起飛質(zhì)量將減少90%）。經(jīng)反復(fù)分析發(fā)現(xiàn)，除人為的噴氣動力以外，在宇宙航行中，還真的有個“天然減速器”——具有極強磁場的“磁白矮星”，它也能給力使飛船剎車。

關(guān)于“磁白矮星”

白矮星是低質(zhì)量恒星演化末期產(chǎn)生的天體，因其色白、體積小、密度高而得名，數(shù)量約占全部恒星的10%。最早被發(fā)現(xiàn)的白矮星是天狼星伴星，其體積接近地球，質(zhì)量卻和太陽相當(dāng)（0.96M⊙～1.05M⊙），密度高達1000萬噸/立方米。白矮星的磁場強度較高，理論量級為105~108高斯（太陽極區(qū)的磁場強度僅1～2高斯。“高斯”可換算為另一種單位“特斯拉”（T），1T＝104高斯）。若磁場強度超過100 T，則稱其為“磁白矮星”。 1985年天文學(xué)家確定天龍座一顆白矮星場強達1.65×104～3.5×104T，它是較早被認證的磁白矮星之一，距離我們約42光年；目前已被認證的磁白矮星中有個別場強高達8×104T。

磁白矮星可用來“剎車”

眾所周知，在磁場中運動的超導(dǎo)體會因磁力的作用改變其運動狀態(tài)。做過“超導(dǎo)體懸浮實驗”的人都有體會，當(dāng)超導(dǎo)體試樣懸浮起來以后，如果拿個小膠木棍去推它，就會感到有一股阻力在抵抗你的推動。自然，這個阻力是超導(dǎo)體表面薄層內(nèi)被激起的電流與下面永磁鐵的磁場之間的相互作用產(chǎn)生的。由于超導(dǎo)體的完全抗磁性，永久磁鐵磁場的磁力線無法進入超導(dǎo)體內(nèi)部，所以，在磁場中運動的具有封閉表面的超導(dǎo)體，其前方的磁力線有被壓縮得更緊密的傾向，超導(dǎo)體前方受到的磁場壓力要大于后方受到的磁場壓力，磁場會對超導(dǎo)體的運動產(chǎn)生阻力。

基于這個原理，我們可用超導(dǎo)材料制作宇宙飛船的外殼。如果它前往探險的目標途中有一顆具有強大磁場的磁白矮星，那么，可以先近距離飛過這個磁白矮星，利用它的磁場對超導(dǎo)飛船的巨大作用力，把飛船速度降低到需要的水平，再飛往目標行星。

宇宙飛船外殼需做成超導(dǎo)體，形狀宜采用扁平狀。這樣能使飛船獲得更大的磁場作用力，在減速過程中飛行也更加平穩(wěn)。理論分析表明，具有封閉表面的超導(dǎo)飛船在磁場中運動受到的磁阻力 F 與：①磁白矮星的磁場強度b（單位為T）；②飛船相對于磁場的運動速度V 及它與光速c的比值f＝V /C；③飛船在與速度垂直的平面的投影面積SS（單位為米2）有關(guān)，且可由下式計算：

飛船變速（剎車）航線示意

計算發(fā)現(xiàn)，進場初速0.1c，距中心48600千米處，磁場力≈1.51×1011牛,而此時星體對飛船的萬有引力僅為磁場力的1/237 。在磁白矮星近旁，磁場對超導(dǎo)飛船相對于磁場的運動的阻力大大超過萬有引力，從而使飛船的速度和方向發(fā)生巨大的變化，這就是磁白矮星可以用來作為宇宙航行的中轉(zhuǎn)站的原因。

宇宙航行時可利用途中磁白矮星作為中轉(zhuǎn)站，使飛船速度量級由進場的0.3～0.1c（90000～30000千米/秒）下降到離場的0.005c（1500千米/秒）以下,剎車效果十分顯著。另外，計算還發(fā)現(xiàn)，如果磁白矮星旋轉(zhuǎn)速度較高（≥18°/秒），不僅可以用它減速，還可以使飛船加速(由進場的1000千米/秒增加到離場的16000千米/秒)。這個辦法最大的好處是變速過程中飛船基本不消耗燃料,但飛船完成變速時間很短，必須能承受極高的過載。

但是，如果用“智能機器人”代替航天員打頭陣，將“來、回”都要加速和減速的宇宙飛船改為有極強自主功能的“單程”無人探測器，不僅可以節(jié)省能量、縮小火箭和宇宙飛船規(guī)模，還可以通過延長航行時間降低對動力的苛刻要求，為半個世紀前“不可想象”的恒星間的航行探尋一條較為靠譜的出路。

方案設(shè)想與前景展望

錢老在《星際航行概論》中寫到“氘火箭發(fā)動機是最有希望的發(fā)動機”，“可以斷言，氘火箭發(fā)動機的實現(xiàn)將使人類的星際航行進入一個新的時代”（見該書第149頁）。48年來，研究人員為約束核聚變上億度、十億度的高溫做了不懈的努力，但行家們普遍認為半個多世紀后才能用它發(fā)電，至于將它做成火箭用的發(fā)動機，則需要更長的時間（除了噴氣速度達到0.1c，發(fā)動機還不能太重）。

雖然目前太陽系周圍是否存在本文設(shè)想的“主星、行星和磁白矮星”宇宙航行條件還不很明晰，但近年來天文學(xué)多次重大發(fā)現(xiàn)令人鼓舞。

自從1995年在距離地球51光年發(fā)現(xiàn)首顆行星后，接連又在距離100光年范圍里發(fā)現(xiàn)多顆行星。2008年11月，美國天文學(xué)家保爾·卡拉斯宣布實際觀測到距離25光年的系外行星“北落師門b”繞恒星運動的蹤跡，它使人們首次目睹了“行星就在我們周圍”的事實。2007年4月，歐洲天文學(xué)家在距離地球20.5光年處發(fā)現(xiàn)質(zhì)量體積與地球同量級的行星Gliese 581c，其表面溫度竟然是1℃～51℃?？茖W(xué)家們歡呼這是“在搜尋宇宙生命道路上邁出的重要一步”。這個事實不僅使人們真切地感受到“類地行星近在身旁”，也使人們有理由期待，過幾年很可能在距離更近的范圍里發(fā)現(xiàn)“可作為宇宙航行目標的類地行星”！

行星繞恒星北落師門運動的蹤跡右下角放大圖中顯示出一顆行星“北落師門b” 圍繞恒星“北落師門”運動的軌跡（2004和2006年兩次照相，它處在不同的位置上），“北落師門”周圍的紅色光影區(qū)是繞它運動的小天體帶或塵埃盤

太陽鄰近就有不少白矮星，但雙星系統(tǒng)中的白矮星與主星的角距很小，且因發(fā)光面積小，亮度通常只有主星的千分之幾到萬分之幾，所以觀測起來就像是辨認在大探照燈前飛舞的小螢火蟲，很難得到用以確定表面磁場強度的高信噪比光譜資料（例如離地球約11光年的南河三雙星系統(tǒng)，Gliese 星表上沒有標明南河三B的表面磁場強度）。我們鄰近有很多雙星系統(tǒng)，由于伴星的亮度還不到主星的千分之一，致使至今還不能確定它們的光譜型；但是目前已確定，在離我們16光年范圍，至少有3顆白矮星（天狼星B、南河三B和波江座40B）是雙星（聚星）系統(tǒng)的成員。其中，天狼星B和天狼星A（主星）相距20AU，有資料介紹，1995年法國天文學(xué)家畢奈斯特發(fā)現(xiàn)天狼星A還有一顆小伴星，可能是一顆紅矮星，也可能是一顆大行星。主星和小伴星距離23AU，相當(dāng)于從太陽到天王星的距離。筆者未查到天狼星B的磁場強度資料，但也給人一種聯(lián)想：說不定過幾年天文學(xué)家給大家一個驚喜，那是顆磁白矮星……。

北落師門在星座中的位置

北落師門行星系統(tǒng)與太陽系比較圖

距離我們20.5光年的Gliese 581c行星環(huán)繞著紅矮星“Gliese 581”運行

Gliese 581 c行星表面的想像圖

曾有學(xué)者猜測太陽有一個遙遠的性質(zhì)未知的暗伴星，白堊紀末期恐龍的滅絕就與它有關(guān),然而至今也沒有找到它，但是也沒有證據(jù)表明它不可能存在。如果將來人們找到它并確定它是一顆具有較高自轉(zhuǎn)速度的強磁白矮星，那時就可以利用它來為我們拜訪地外文明世界的超導(dǎo)宇宙飛船加速了……。

今年是錢學(xué)森先生誕生100周年。他在《星際航行概論》中對宇宙航行的科學(xué)分析，使大家認識到實現(xiàn)“偉大的理想”的艱難。他在文章中說的“我們有信心不但能夠像今天那樣進入星際航行的時代，而且也將實現(xiàn)宇宙航行”，更使后輩們意識到責(zé)任。讓我們發(fā)揮聰明才智，共同探索出新的途徑，早日把人類實現(xiàn)宇宙航行的夢想變成現(xiàn)實。

兩個恒星間航行設(shè)想及比較