到太陽(yáng)系之外去

劉聲遠(yuǎn)

一項(xiàng)大膽的計(jì)劃正在成形，它可能將讓飛行器造訪太陽(yáng)系之外離我們最近的行星。

任何渴望一睹太陽(yáng)系以外行星世界尊容的人，去年可以說(shuō)收獲了一個(gè)激動(dòng)人心的禮物?？茖W(xué)家2016年8月報(bào)告說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)了一顆環(huán)繞半人馬座毗鄰星運(yùn)行、與地球大小相仿的行星，這顆行星具有潛在可居住性（即可能存在生命）。半人馬座毗鄰星距離地球4.22光年，是距離太陽(yáng)系最近的恒星。

這顆行星——毗鄰星b當(dāng)然是一個(gè)誘人的目的地。如果能把飛行器發(fā)射到它附近，人類就能第一次近距離目睹太陽(yáng)系之外的一個(gè)行星世界，這將是太空探索的又一座極具歷史意義的偉大里程碑。飛行器發(fā)回地球的數(shù)據(jù)，將可能揭示毗鄰星b是否真的存在支持生命的條件，甚至可能揭示這顆系外行星上是否存在生命。

前往毗鄰星b并非只是科學(xué)幻想。事實(shí)上，就在這顆系外行星發(fā)現(xiàn)之前幾個(gè)月，一些企業(yè)家和科學(xué)家已經(jīng)在探訪半人馬座阿爾法星系統(tǒng)（它被認(rèn)為是半人馬座毗鄰星的家園）方面邁出了第一步。他們宣布，由俄羅斯投資家尤里·米爾納注資1億美元的“突破攝星”計(jì)劃，將大大加快研發(fā)探測(cè)器完成這趟旅行的步伐。隨著毗鄰星b被發(fā)現(xiàn)，該計(jì)劃有了一個(gè)更具體的探索目標(biāo)。

實(shí)現(xiàn)這趟旅行很不容易。盡管從毗鄰星b這個(gè)名字看上去，這顆行星就像是我們的近鄰，但它卻比人造飛行器到達(dá)過(guò)的最遠(yuǎn)地方還要遠(yuǎn)將近2000倍。要想在一代科學(xué)家的有生之年內(nèi)讓一艘探測(cè)器到達(dá)毗鄰星b，探測(cè)器的速度就必須達(dá)到光速的1/5，還得穿越太陽(yáng)系和星際空間內(nèi)的一條險(xiǎn)惡路徑，因?yàn)檫@些空間內(nèi)有許許多多我們看不見(jiàn)的物質(zhì)團(tuán)塊。接著，探測(cè)器需要在距離毗鄰星系統(tǒng)6萬(wàn)千米的地方采集有用的數(shù)據(jù)，并且把信息發(fā)回4光年外的地球。這一切意味著一項(xiàng)非常巨大的挑戰(zhàn)，但科學(xué)家相信，克服這一挑戰(zhàn)，向著目標(biāo)邁進(jìn)并非不可能。

其他一些科學(xué)團(tuán)隊(duì)也在嘗試發(fā)射探測(cè)器甚至飛船到太陽(yáng)系以外，但他們沒(méi)有像“突破攝星”計(jì)劃這么優(yōu)越的資金條件。甚至就連并未參與“突破攝星”計(jì)劃的一些天體物理學(xué)家也認(rèn)為，要想在未來(lái)幾十年實(shí)現(xiàn)飛往太陽(yáng)系以外的目標(biāo)，“突破攝星”計(jì)劃的希望最大，部分原因是科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)表了大量關(guān)于星際旅行的論文，其中探討了一些看似在不遠(yuǎn)的將來(lái)可行的設(shè)想。

“突破攝星”計(jì)劃的牽頭人希望，在2017年內(nèi)開始注資研發(fā)“突破攝星”計(jì)劃所需的技術(shù)，目標(biāo)是在未來(lái)20年中發(fā)射一系列由激光推進(jìn)的微型探測(cè)器。據(jù)估計(jì)，可能最終需要花費(fèi)大約100億美元。再過(guò)20年，才能完成到達(dá)半人馬座阿爾法星系統(tǒng)的任務(wù)。

發(fā)射

對(duì)于任何像“突破攝星”計(jì)劃這樣的任務(wù)來(lái)說(shuō)，第一個(gè)真正的挑戰(zhàn)是把飛行器加速到星際旅行所需的速度。常規(guī)火箭不可能完成前往太陽(yáng)系以外的行程，因?yàn)檫@所需的化學(xué)燃料實(shí)在太多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)火箭可能攜帶的化學(xué)燃料數(shù)量。簡(jiǎn)單說(shuō)，化學(xué)燃料能送探測(cè)器甚至送人去火星，但絕無(wú)可能送探測(cè)器（哪怕是微型探測(cè)器）去太陽(yáng)系以外。

因此，“突破攝星”計(jì)劃聚焦的是對(duì)光的利用?？茖W(xué)家從20世紀(jì)初就開始知道，光具有動(dòng)能，因而能推動(dòng)物體。最近，通過(guò)發(fā)射由陽(yáng)光推動(dòng)的大型太陽(yáng)帆，科學(xué)家證明了這一點(diǎn)。但陽(yáng)光并不足以把探測(cè)器加速到能前往半人馬座阿爾法星系統(tǒng)的程度，否則需要很大很大的太陽(yáng)帆。與之相比，2015年發(fā)射的太陽(yáng)帆面積只有32平方米。

“突破攝星”計(jì)劃團(tuán)隊(duì)分析了超過(guò)20種前往太陽(yáng)系以外的推進(jìn)理念，但“幾乎所有”的理念看來(lái)都暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，甚至很久都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。他們最終決定采納美國(guó)科學(xué)家盧賓的建議。盧賓在2015年提出了一種構(gòu)想，它有可能讓飛行器只用20年就到達(dá)半人馬座阿爾法星系統(tǒng)。盧賓建議，運(yùn)用位于地球上的一個(gè)激光陣列發(fā)射強(qiáng)力激光束，就能推動(dòng)一艘小型光帆前往半人馬座阿爾法星系統(tǒng)?！巴黄茢z星”團(tuán)隊(duì)計(jì)劃采用常規(guī)火箭把光帆探測(cè)器送進(jìn)軌道，接著使用地球上的一個(gè)1000億瓦激光陣列，連續(xù)好幾分鐘向光帆探測(cè)器發(fā)射激光，這樣就能把光帆探測(cè)器加速到每秒6萬(wàn)千米。

突破攝星團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人承認(rèn)，他們的計(jì)劃需要依賴激光技術(shù)的突破。1000億瓦比今天最強(qiáng)大的連續(xù)激光還強(qiáng)100萬(wàn)倍。為了克服這一制約，一種辦法是合并數(shù)億根不太強(qiáng)大的激光束，這些激光束來(lái)自至少1000米寬的一個(gè)激光陣列。但這些激光束都需要互相同相位，這樣它們的光波才會(huì)疊加，而不是互相抵消。這樣一來(lái)，激光就成為了前往太陽(yáng)系以外任務(wù)所需的最重要技術(shù)之一。

飛行器

“突破攝星”團(tuán)隊(duì)研發(fā)的飛行器（探測(cè)器）與迄今所有的太空飛行器都截然不同。它的微型電子元器件、感應(yīng)器、推進(jìn)器、相機(jī)和電池都集中在一塊直徑大約為1厘米的芯片上，芯片則位于一張圓形或方形光帆（直徑大約為4米）的中心，探測(cè)器和光帆（合稱光帆探測(cè)器）的合并重量?jī)H為1克！光帆探測(cè)器越輕，激光對(duì)它的加速效應(yīng)越明顯。

為了實(shí)現(xiàn)光帆探測(cè)器速度最大化，同時(shí)又為了讓它受到的激光損傷最小化，光帆需要反射掉幾乎所有的入射激光，但可能讓部分激光通過(guò)。目前已有基本合適的光帆材料，那就是能反射掉多達(dá)99.999%的入射光的超薄電子絕緣體。但科學(xué)家還需要增加這些奇異材料的產(chǎn)量，并且降低生產(chǎn)成本。他們還需要調(diào)查這些材料會(huì)如何回應(yīng)光帆探測(cè)器所需的超強(qiáng)激光，因?yàn)槌瑥?qiáng)激光可能對(duì)這些材料造成無(wú)法預(yù)測(cè)的光學(xué)效應(yīng)。

在加速階段，光帆需要保持極度平整，并且主動(dòng)感應(yīng)和補(bǔ)償激光束的不規(guī)則，這樣飛行器才能不偏離軌道，否則就會(huì)前功盡棄。一種辦法是讓光帆旋轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生的離心力把光帆拉直，讓光束的不規(guī)則平均分布于光帆的整個(gè)區(qū)域?？茖W(xué)家已經(jīng)證明旋轉(zhuǎn)光帆能達(dá)到上述目的，對(duì)“突破攝星”計(jì)劃來(lái)說(shuō)，這一思路很有可能行得通。

不管怎樣設(shè)計(jì)光帆探測(cè)器，光帆都必須很結(jié)實(shí)。1000億瓦的激光束會(huì)重?fù)艄夥?，由此造成的加速效?yīng)比地球上的物體受到的引力加速效應(yīng)強(qiáng)幾萬(wàn)倍。在軍事測(cè)驗(yàn)中，小炮彈承受住了如此大的力量，但只有不到1秒時(shí)間，而光帆探測(cè)器將受到持續(xù)好幾分鐘的重壓。

“突破攝星”計(jì)劃將分階段推進(jìn)。光帆探測(cè)器因?yàn)樾《鄬?duì)低成本，所以可能會(huì)每天發(fā)射一兩艘，其中一部分甚至?xí)p失掉。光帆探測(cè)器的研發(fā)將分階段進(jìn)行，第一步是建造一個(gè)雛形系統(tǒng)，它將被加速到每秒1000千米，這還不到終極目標(biāo)速度的2%，總成本在5000萬(wàn)美元到1億美元之間。

旅途

激光將在持續(xù)發(fā)射數(shù)分鐘后關(guān)閉，這時(shí)光帆探測(cè)器達(dá)到光速的1/5，并且穿行了幾百萬(wàn)千米（大約是地球與月球之間距離的5倍）。接下來(lái)的20年，如果只是很單調(diào)乏味，也算是求之不得。此話怎講？

到了這一階段，最大風(fēng)險(xiǎn)是星際介質(zhì)中的塵埃顆粒、氫原子及其他微粒會(huì)撞擊光帆探測(cè)器，由此對(duì)光帆探測(cè)器造成重創(chuàng)。另外還有來(lái)自宇宙射線的風(fēng)險(xiǎn)。宇宙射線是指以接近光速疾飛于太空中的原子核，它們可能會(huì)損壞光帆探測(cè)器的重要元器件。科學(xué)家不清楚星際空間究竟充盈著多少微粒，更不清楚它們究竟有多大?！巴黄茢z星”團(tuán)隊(duì)計(jì)劃采用至少1毫米厚的覆膜（由鈹銅合金之類的材料制成）包裹光帆正前方部位，由此保護(hù)光帆探測(cè)器。

就算宇宙顆粒不會(huì)損毀光帆探測(cè)器，它們對(duì)光帆探測(cè)器的撞擊也會(huì)讓探測(cè)器偏離航道。因此，探測(cè)器需要有自己的導(dǎo)航系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)由超輕質(zhì)微型發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這部發(fā)電機(jī)則采用一種放射性同位素（例如钚）充當(dāng)核電池。這些系統(tǒng)需要簡(jiǎn)單的人工智能來(lái)檢測(cè)恒星方位，并且通過(guò)點(diǎn)火光子推進(jìn)器來(lái)調(diào)整光帆探測(cè)器的航向。

科學(xué)家不可能消除突破攝星任務(wù)涉及的所有風(fēng)險(xiǎn)，尤其是來(lái)自于星際介質(zhì)中未知物體的風(fēng)險(xiǎn)。因此，他們考慮在雛形推進(jìn)系統(tǒng)制成后立即發(fā)射系列探索探測(cè)器。這些探測(cè)器可能對(duì)星際介質(zhì)進(jìn)行取樣并發(fā)回?cái)?shù)據(jù)，從而加深科學(xué)家對(duì)星際空間狀況的了解。

飛近

如果一切順利，大約在2060年左右光帆探測(cè)器上的微電腦將啟動(dòng)，周期性地向地球發(fā)射聲脈沖，讓科學(xué)家了解探測(cè)器的狀況，證實(shí)自己正在接近半人馬座阿爾法星系統(tǒng)，準(zhǔn)備進(jìn)行飛近探測(cè)。

科學(xué)家希望，最好的情況是能讓光帆探測(cè)器拍攝照片。盧賓估計(jì)，光帆探測(cè)器將進(jìn)入距離毗鄰星b一個(gè)天文單位（地球與太陽(yáng)之間的平均距離）以內(nèi)的位置。就算是在這樣的距離，拍照依然可能揭示這顆行星是否像地球一樣有水，或者像火星一樣貧瘠。照片還可能顯示毗鄰星b上的山脈和隕擊坑等地貌。

光帆探測(cè)器上的光譜儀可能將探測(cè)毗鄰星b的大氣構(gòu)成，前提是它有大氣層?？茖W(xué)家將重點(diǎn)尋找氧、甲烷及更復(fù)雜的碳?xì)浠衔锓肿?，它們可能是生命指征。光帆探測(cè)器搭載的儀器還可能嘗試測(cè)量毗鄰星b的磁場(chǎng)或其他特征，由此可能揭示毗鄰星b是否有條件支持生命。

當(dāng)光帆探測(cè)器到達(dá)半人馬座毗鄰星系統(tǒng)后，將無(wú)法慢下腳步，因此它將在大約兩小時(shí)內(nèi)走完這個(gè)系統(tǒng)。這對(duì)它的測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)是個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)槠駷橹惯€沒(méi)有任何以1/5光速疾飛的相機(jī)拍攝的照片。光帆探測(cè)器搭載的相機(jī)將旋轉(zhuǎn)，從而讓毗鄰星b一直留在相機(jī)視野內(nèi)。地球上的電腦將修正由相對(duì)論效應(yīng)、相機(jī)角度轉(zhuǎn)換以及與毗鄰星b的距離造成的圖像失真。

接下來(lái)將是“突破攝星”團(tuán)隊(duì)面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。團(tuán)隊(duì)領(lǐng)頭人承認(rèn)，他們還未對(duì)此找到解決辦法：使用1根大約1瓦的激光束，怎樣才能把來(lái)自毗鄰星b的數(shù)據(jù)傳回地球？在經(jīng)過(guò)4.22光年的極漫長(zhǎng)旅行后，如此微弱的信號(hào)怎樣才能被在地球上探測(cè)到？盧賓設(shè)想，在地球上建造1000米寬的探測(cè)器陣列，捕捉光帆探測(cè)器發(fā)來(lái)的極微弱信號(hào)。

光帆探測(cè)器搭載的核電池驅(qū)動(dòng)電容器，將讓激光束強(qiáng)度盡量高，類似于相機(jī)閃光燈。還可能把光帆用作天線來(lái)增強(qiáng)信號(hào)。不過(guò)，在巨大的黑暗宇宙空間，這樣的激光束依然很微弱。另一種選擇是發(fā)射系列飛行器作為中轉(zhuǎn)站，這樣一來(lái)每一個(gè)芯片的信號(hào)將可能只穿行整個(gè)距離的1/10。但這樣的方案難度更大，不確定因素也會(huì)更多。

爭(zhēng)議

科學(xué)界對(duì)“突破攝星”計(jì)劃看法不一。有人指出，雖然該計(jì)劃面臨如何大幅度提升激光強(qiáng)度等巨大的技術(shù)難題，但如果有足夠的投資來(lái)研究其中的光學(xué)原理和制造材料，這些難題或許是能夠解決的。也有人認(rèn)為，相比于以往那些更具科幻色彩的類似方案（例如載人前往其他恒星系統(tǒng)）來(lái)說(shuō)，“突破攝星”計(jì)劃的最小化設(shè)計(jì)的科幻色彩最淡，因而該計(jì)劃并非完全不可能實(shí)現(xiàn)。還有人說(shuō)，“突破攝星”計(jì)劃面臨的技術(shù)屏障短期內(nèi)根本無(wú)法超越。換句話說(shuō)，幾十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)的可能性為零。

英國(guó)“伊卡羅斯星際”太空探索機(jī)構(gòu)（伊卡羅斯是希臘神話中代達(dá)羅斯之子，以其父制作的蠟翼飛離克里特島，其父逃脫了，而他因飛得太高，蠟翼被陽(yáng)光融化，他墜海而亡）總裁安德烈斯說(shuō)，就算光帆探測(cè)器真的能到達(dá)毗鄰星b附近，它也不可能提供有用的數(shù)據(jù)。他說(shuō)，光帆探測(cè)器向地球發(fā)回圖像的成功率幾乎為零。雖然“伊卡羅斯星際”也在研究激光推進(jìn)，但它聚焦的是核聚變驅(qū)動(dòng)任務(wù)，該任務(wù)可能會(huì)推動(dòng)一艘比光帆探測(cè)器大得多的飛行器在100年內(nèi)飛到半人馬座阿爾法星系統(tǒng)。不僅如此，這樣的飛行器不僅能把有用的數(shù)據(jù)傳回地球，而且可能把機(jī)器人行星車送上毗鄰星b。

在任何毗鄰星b探測(cè)器發(fā)射之前，科學(xué)家依然能了解這顆系外行星的大量情況。美國(guó)宇航局的“詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡”計(jì)劃于2018年底發(fā)射，多座大型地面望遠(yuǎn)鏡也計(jì)劃在未來(lái)幾十年中建成。有了它們，科學(xué)家可能查明毗鄰星b的大氣層中是否包含生命指征。盡管如此，卻依然比不了直接去造訪這顆行星。例如，探測(cè)器在2015年飛近冥王星，揭示了冥王星上的冰山和氮冰川，而地球上哪怕最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡也看不到這些特征。與此相似，只有近距離觀察毗鄰星b和附近其他系外行星，才可能發(fā)現(xiàn)很多的驚喜。

“突破攝星”計(jì)劃的支持者說(shuō)，雖然該計(jì)劃能否實(shí)現(xiàn)是一個(gè)問(wèn)題，但計(jì)劃的執(zhí)行過(guò)程一定會(huì)提升我們探索系外行星的能力。能夠推進(jìn)光帆探測(cè)器到半人馬座毗鄰星系統(tǒng)的激光陣列，也可能讓探測(cè)器在幾天內(nèi)飛到太陽(yáng)系的任何地方，或者在一兩周內(nèi)穿越一片星際介質(zhì)。這樣的能力將可能讓太陽(yáng)系探索常規(guī)化，比如讓載人飛船能很容易往返地球和火星。倘若此，太空探索是不是會(huì)發(fā)生翻天覆地的突破？就算只是設(shè)想一下，也能望梅止渴。