突破攝星計劃：走出太陽系

方陵生/編譯

突破攝星計劃：走出太陽系

方陵生/編譯

美麗的比鄰星b的藝術構想圖是我們的美好想象。但在一代或兩代人的時間里，下一次太空探索任務將向我們展示一個真實的比鄰星

●一個“狂熱”的計劃已初具雛形：進軍最近的太陽系外行星。以下是向比鄰星b進軍的“突破攝星”計劃的一些細節(jié)問題。

2016年8月，天文學家給想要近距離觀察外星世界的人送了一份激動人心的大禮，研究報告稱發(fā)現(xiàn)了一顆繞著離太陽最近的鄰居——比鄰星旋轉的行星，一顆與地球大小相似的疑似宜居行星，它離我們僅僅只有1.3秒差距或者說4.22光年。

這是人類向外太空進軍的一個非常誘人，甚至是不可抗拒的目標。向這顆被稱為比鄰星b的星球派遣宇宙飛船，人類將首次看到太陽系外的行星世界。“抵達離我們最近的恒星系統(tǒng)，意味著人類向太空進軍又邁出了新的一大步?！泵绹又菪行菂f(xié)會科技部主席布魯斯·貝茲（Bruce Betts）說道。屆時從太空傳回的數(shù)據(jù)可提供這個外星世界是否具備生命生存的條件，甚至是否已有生命存在的信息。

如今，抵達比鄰星b的想法已經(jīng)不再是科幻小說中的情節(jié)。事實上，在這顆系外行星被發(fā)現(xiàn)的幾個月前，一群商界領袖和科學家已經(jīng)宣布了造訪半人馬座阿爾法星恒星系統(tǒng)的計劃，比鄰星就在半人馬座阿爾法星系中，這個由俄羅斯投資者尤里·米爾納（Yuri Milner）投資1億美元支持的被稱為“突破攝星”（Breakthrough Starshot）的太空旅行計劃將極大地加速人類對太空的研究和開發(fā)。比鄰星b被發(fā)現(xiàn)后，這個項目又有了一個更誘人的目標。

然而，要抵達那里并非易事，盡管比鄰星b的名字聽起來就像地球的隔壁鄰居，但事實上它與地球的距離幾乎是迄今為止人類發(fā)射人造物體進入太空最遠處的2 000倍?？茖W家必須以光速1/5的速度沖破太陽系和星際空間無數(shù)太空碎片帶來的重重危險，才能在有生之年抵達比鄰星b，另外還要以每秒6萬公里的速度低空飛越比鄰星星系時收集有用數(shù)據(jù)并從4光年之外傳回地球。這一切都是巨大的工程挑戰(zhàn)，但研究人員稱該計劃是可行的，目前正在朝著這一方向努力。

其他研究團體也將目標瞄準了太陽系附近的恒星系統(tǒng)，但都沒有“突破攝星”計劃的動力——或者說資金。沒有參與Starshot計劃的天體物理學家也認為這是未來幾十年里最有現(xiàn)實可能性的星際任務。Starshot計劃汲取了科學家近年來發(fā)表的相關論文中的精華形成了新的太空探索理念，紐約哥倫比亞大學一位非Starshot團隊成員的天體物理學家迦勒·沙爾夫（Caleb Scharf）說道。

“突破攝星”任務的策劃者計劃在未來幾個月的時間內開始投資技術開發(fā)項目，具體目標是在未來20年內推出激光推進的微型太空探索艦隊，該計劃將耗資約100億美元，然后再用20年時間抵達半人馬座阿爾法星系。

發(fā)射

“突破攝星”這樣的太空任務，第一個真正的挑戰(zhàn)是要將航天器加速到星際速度，傳統(tǒng)的火箭不可能做到，這是因為它們無法存儲足夠多的燃料形式的化學能。項目咨詢和管理委員會成員、加利福尼亞大學的天體物理學家菲利普·盧賓（Philip Lubin）說道，“化學能燃料可以將我們送到火星，但到不了其他恒星。”

因此，攝星計劃將解決這個問題的希望放在了如何駕馭光能上。自20世紀初開始，科學家就已經(jīng)知道光有動能，可以推動物體。日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）和行星協(xié)會的研究人員向太空發(fā)射了由陽光推進的大型光帆，展示了利用太陽光的光壓進行宇宙航行。但太陽光能不足以將飛船加速到抵達半人馬座阿爾法星的速度，那將需要一個極其巨大而笨重的光帆，貝茲說道。2015年時他領導的一個團隊曾布置了一個32平方米的太陽帆。

為此Starshot計劃對20多種走出太陽系動力推進系統(tǒng)的點子進行了評估，但“幾乎所有”的設想都可望而不可及，項目執(zhí)行主任皮特·沃頓（Pete Worden）說道。最后選定的是盧賓提出的激光推進技術。2015年曾推出20年內發(fā)送一艘航天器抵達半人馬座阿爾法星路線圖的盧賓建議，在地球上用一個激光陣列生成足夠強大的推力來推動一個較小的光帆。

Starshot團隊計劃用常規(guī)火箭將探測器送入軌道，然后在地球上用100千兆瓦的激光陣列幾分鐘時間內持續(xù)不斷地為光帆提供動力，足以讓光帆加速到每秒6萬公里。

Starshot項目策劃者坦承，他們正在期待激光行業(yè)的突破。100千兆瓦的激光比今天最大的數(shù)百千瓦連續(xù)發(fā)射的激光要強大100萬倍。彌補這一差距的方法是將分布在至少1公里范圍內的億萬激光束集合起來。但光波要能相互補充，而不是相互抵消，這是一個需要投入大量研發(fā)力量的艱巨任務。

航天器

Starshot計劃發(fā)射的航天器與之前發(fā)射進入太空的航天器完全不同，它是一個由電子器件、傳感器、推進器、相機和電池組成的只有大概1厘米見方的芯片，置于寬約4米的圓形或方形光帆的中間。航天器總重量只有1克，重量越輕，給定的推力可以加速的速度就越快。

為從激光束獲得最大化的速度以及最小化的光能損失，光帆需要反射幾乎所有的入射光。合適的材料已經(jīng)有了，那就是薄層的電絕緣器，可反射多達99.999%的入射光，接近于需要的閾值。研究人員還需要研究材料對所需強光水平的反應，材料的反應有可能產(chǎn)生意料之外的光學效應。

加速階段光帆需要保持平穩(wěn)，積極感應激光束的缺陷并做出補償，這樣航天器才能保持在規(guī)定航線上，一開始即使很微小的偏差導致的軌道偏離也會失之毫厘謬以千里。一個解決方案是讓光帆不斷旋轉航行，產(chǎn)生將它拉緊的離心力，激光束若有不規(guī)則行為也可平均分攤到光帆的各個部分。JAXA已演示了一個旋轉的太陽帆，沃頓認為這個創(chuàng)意“看起來非常有前途”。

無論設計上如何考慮，光帆必須堅固牢靠。100千兆瓦激光束的擊打力是很強大的，產(chǎn)生的重力加速度是地球上物體所承受重力的幾萬倍。

Starshot的計劃擁有數(shù)量上的優(yōu)勢。這種航天器很小，成本相對較低，因此每天可以發(fā)射一個或更多的航天器，哪怕因失敗而損失其中一些也承受得起。

探測器將分階段開發(fā)，沃頓說道。第一步是構建一個原型系統(tǒng)，可以加速到大約每秒1 000公里，只有Starshot計劃速度的2%，總成本在5億至10億美元之間。

計劃飛往比鄰星b的航天器，類似于“突破攝星”創(chuàng)建人尤里·米爾納手中所持的芯片

太空旅途

升空幾分鐘后，激光系統(tǒng)將關閉，當探測器達到光速的1/5并走過了幾百萬公里（約地球到月球距離的5倍）時，未來20年將是一段無比沉悶的旅程。

這一階段面臨的最大風險是與太空塵埃、氫原子和其他星際介質中的粒子碰撞造成的損害，另外還有來自于宇宙射線的危險，以接近光速的速度穿越宇宙空間的原子核甚至有可能影響到航天器上重要電子器件的正常功能。沒有人確切地知道星際空間充滿了多少粒子，也不知道這些粒子會有多大，但Starshot已有了保護航天器不受太空粒子損傷的方案，他們將在航天器的前緣涂上至少1毫米厚的鈹銅涂層。

即使太空粒子不會對航天器造成破壞，一次撞擊也有可能令飛馳中的探測器偏離航向。因此，探測器將需要自己的導航和控制系統(tǒng)，這個系統(tǒng)以放射性同位素钚-238核電池為動力。這些系統(tǒng)將需要基本的人工智能，以監(jiān)控恒星的位置，通過發(fā)射光子推進器調整航線?！拔蚁胝f的是，芯片真正需要像尼爾·阿姆斯特朗（Neil Armstrong，第一個離開地球登上月球的人）或查克·耶格爾（Chuck Yeager，二戰(zhàn)中的王牌飛行員，1947年成為第一個突破音速的人）這樣的人工智能，在出現(xiàn)以上所述問題時做出關鍵性的決策?！鄙碃柗蛘f道。

但任務設計者不可能將所有的風險都消除掉，尤其是來自于星際介質中那些至今未知的因素。這也是他們正在考慮一旦推進系統(tǒng)原型建成后，就盡快發(fā)射試探性探測器的原因，早期發(fā)射的航天器可提供星際介質的樣品和報告，以填補天文學家對太空環(huán)境了解上的空白。

低空飛越比鄰星

如果一切按計劃進行，大約在2060年左右，Starshot航天器的機載計算機將醒來，與地球連通，進行周期性狀態(tài)檢查，并檢測到它接近比鄰星并準備低空飛越的狀態(tài)。

專家們一致認為，最高優(yōu)先級的任務將是拍照。盧賓估計航天器應該能夠飛到離比鄰星b一個天文單位的位置，即從地球到太陽的距離。即使在這樣遠的距離內，也可以拍攝到一些有價值的照片，例如，它是否像我們地球一樣是一個有水的綠色星球，還是像火星一樣貧瘠荒涼，還可以拍攝到一些大比例的地貌特征，如山脈和隕石坑等。

機載光譜儀可以探測到這顆行星上的大氣層構成，如果它真有一個大氣層的話。研究人員將在這些成分中尋找如氧氣、甲烷以及更復雜的碳氫化合物分子，這些都是可能有生命存在的信號。通過其他一些儀器還可以嘗試檢測星球上的磁場或其他變數(shù)，以確定比鄰星b是一個擁有適合生命孕育環(huán)境的星球，還是一個不適于生命、生存環(huán)境嚴酷的星球。

航天器抵達比鄰星后沒有辦法將速度慢下來，因此它將在大約兩個小時內快速穿過這個恒星系統(tǒng)，這對于測量儀器的設計也是一個很大的挑戰(zhàn)。沒有照相機能夠在1/5光速的移動過程中將照片拍攝下來，航天器上的相機必須不停地旋轉，才能讓這顆行星一直保持在它的視域范圍內，地球上的計算機必須對相機角度變化以及與比鄰星b距離變化對圖像造成的扭曲進行校正。

項目負責人坦承，Starshot還有一個最為艱巨的挑戰(zhàn)尚未解決：如何通過只有約1瓦特的激光脈沖將數(shù)據(jù)從比鄰星傳給地球上熱切期待的天文學家？又如何讓信號在經(jīng)過4.22年的太空旅程之后，其強度仍然足以在地球上被檢測到？盧賓設想在地球上建立一個1公里寬的檢測器陣列，以捕捉航天器傳回來的微弱信號，這個陣列可能將占據(jù)激光加速器同樣大小的一片區(qū)域。

機載核電池將為電容器提供動力，使激光束盡可能明亮，類似于相機的閃光燈。也可能將利用光帆作為天線來增強信號，但在廣袤無邊的黑暗宇宙中，激光光束仍然只是一束脆弱的光。

另一種辦法是，發(fā)射一系列航天器進行分程傳遞，這樣每個芯片上發(fā)出的信號可能只需傳送1/10秒差距（0.2光年）的距離，而無須全程傳送。但盧賓等人提請注意的是，這個計劃也可能產(chǎn)生更多的復雜問題。

太空探索新能力

沒有參與這個項目的一些專家對此喜憂參半。在增加激光功率和其他必需技術方面，“我認為還有許多巨大的挑戰(zhàn)。”華盛頓特區(qū)光學學會首席科學家格雷戈里·夸爾斯（Gregory Quarles）說道。但他補充說，大量私人和公共投資將促進光學和材料領域內的研究，“這些投資終將會有回報?！?/p>

Starshot的微型航天器與以往執(zhí)行太空飛行任務的航天器完全不同?！皼]有什么是完全不可能的，他們的計劃不是要向另一顆恒星發(fā)射一艘大型飛船?！鄙碃柗蛘f道。

然而，另外一些人擔心多重技術障礙是不可逾越的。“對這項計劃的近期前景我持謹慎態(tài)度，”貝茲說，“任何一項技術似乎都可以實現(xiàn)，但當你意識到需要將這么多東西都塞進一個一點點小的很輕的東西里時，問題就不那么簡單了?！?/p>

太空探索組織主席安德烈亞斯·茲拉斯（An dreas Tziolas）認為，即使Starshot能夠到達比鄰星b，也有可能無法提供有用的數(shù)據(jù)?！皬陌肴笋R座阿爾法星將圖像發(fā)回地球的成功率幾近于無，如此小的航天器不可能攜帶傳輸信號的足夠動力?！彼f。他的團隊也在研究激光推進，但他目前正致力于一個以核聚變?yōu)閯恿Φ娜蝿?，該任務可在一個世紀的時間內發(fā)送大的航天器到半人馬座阿爾法星，一個強大到足以發(fā)回有用數(shù)據(jù)甚至可以運送機器人探測器的航天器。

在向我們的近鄰比鄰星b發(fā)送航天器之前，天文學家仍然可以對它有更多的了解。定于2018年年底發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡以及幾個大型地面望遠鏡可能將在未來10年里開始工作。通過這些望遠鏡，天文學家可以確定這個系外行星的大氣層里是否有生命存在的跡象。

但正如任何太空探索者都會說的那樣，沒有什么能夠比得上親臨某處進行實地探察。例如2015低空飛越冥王星任務發(fā)現(xiàn)了這顆星球上的大冰山和含氮冰川，這些是地球上最強大的望遠鏡都看不到的。同樣，比鄰星b以及其他近地系外行星可能給我們帶來的驚喜也只有與它們進行親密接觸之后才有機會一睹真容。

任務的支持者稱，這項計劃還將有更大的回報?！霸谖铱磥?，Starshot是我們進軍太空能力的拓展，就像當年進軍月球的意義一樣?！表椖款檰栁瘑T會成員、倫敦星際研究團體負責人開爾文·朗（Kelvin Long）說道。將航天器送往比鄰星的激光陣列推進技術可在幾天之內將探測器發(fā)送到太陽系內的任何地方或在一兩個星期內發(fā)送到太空中含有大量星際介質的地方，他說。

這種能力可以令人類對太陽系的探索成為常規(guī)活動?！斑@將是人類太空探索能力的一個巨大的進步?！北R賓說道。

[資料來源：Nature][責任編輯：彥隱]