英國(guó)《自然》雜志日前刊登的一篇論文引起了前所未有的震動(dòng)。該論文稱(chēng)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，有類(lèi)地行星圍繞離太陽(yáng)系最近的恒星——比鄰星的軌道運(yùn)行，且根據(jù)這顆行星所處的位置推測(cè)，該星球表面可能存在液態(tài)水，科學(xué)家們將地球的這個(gè)“堂兄弟”稱(chēng)作“比鄰星b”。
盡管該恒星系統(tǒng)與我們堪稱(chēng)宇宙間的近鄰，但它仍然遠(yuǎn)在4.2光年(大約40萬(wàn)億公里)之外，如此遙遠(yuǎn)的距離，我們有可能拜訪這個(gè)新“現(xiàn)身”的行星嗎？
現(xiàn)有的航天器由化學(xué)火箭、低推力離子推進(jìn)器，以及包括利用行星重力場(chǎng)給太空探測(cè)船加速的所謂“引力彈弓效應(yīng)”在內(nèi)的引力輔助軌道等共同推動(dòng)。如果使用傳統(tǒng)航天器，比如現(xiàn)在用于探測(cè)太陽(yáng)系的機(jī)器人探測(cè)器等，要花數(shù)萬(wàn)年才能到達(dá)比鄰星。
如果我們想前往太陽(yáng)系之外的地方，則需要速度更快的設(shè)備，比如像“代達(dá)羅斯計(jì)劃”(Project Daedalus)中提到的核聚變火箭等。在最近的報(bào)道中，美國(guó)趣味科學(xué)網(wǎng)站為我們列出了未來(lái)有可能幫助人類(lèi)拜訪比鄰星或其他宇宙鄰居的7種方式。
電子束引爆核動(dòng)力火箭
“代達(dá)羅斯計(jì)劃”是英國(guó)星際學(xué)會(huì)在1973年至1978年間倡導(dǎo)的研究計(jì)劃，該計(jì)劃考慮使用無(wú)人太空船對(duì)另一個(gè)恒星系統(tǒng)進(jìn)行快速探測(cè)，其名稱(chēng)源自希臘神話中修建米諾斯迷宮的工匠代達(dá)羅斯。
該計(jì)劃希望設(shè)計(jì)出“代達(dá)羅斯”航天器——一種重達(dá)54000噸的二級(jí)核動(dòng)力火箭，能將一個(gè)400噸的機(jī)器人探測(cè)器提升到光速的12%。如此一來(lái)，探測(cè)器能在50年內(nèi)，也就是在一個(gè)人的有生之年，到達(dá)距離地球6光年遠(yuǎn)的紅矮星巴納德星(Barnard's Star)。
巴納德星在很多方面與科學(xué)家們最新發(fā)現(xiàn)的比鄰星類(lèi)似：它距離地球非常近，正在向太陽(yáng)系的方向運(yùn)行，預(yù)估公元11800年時(shí)，會(huì)距地球僅3.85光年，那時(shí)它將成為除太陽(yáng)以外離地球最近的恒星。
“代達(dá)羅斯”航天器的火箭將由核聚變提供燃料，使用電子束引爆燃料，例如氦-3，科學(xué)家們未來(lái)或許可以從月球表面開(kāi)采氦-3。即便如此，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然需要消耗數(shù)萬(wàn)噸燃料，才能在大約4年內(nèi)達(dá)到其頂級(jí)速度(光速的12%)。然后發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)關(guān)閉，“代達(dá)羅斯”航天器將在茫茫太空中航行46年，最后到達(dá)目的地。因?yàn)闆](méi)有留下任何可供減速的燃料，長(zhǎng)達(dá)50年的漫長(zhǎng)旅行之后，航天器將對(duì)目的地系統(tǒng)進(jìn)行70小時(shí)的飛掠，然后加速進(jìn)入星際空間。
英國(guó)倫敦大學(xué)伯貝克學(xué)院行星科學(xué)教授兼太空生物學(xué)專(zhuān)家伊恩·克羅弗德稱(chēng)，“代達(dá)羅斯”航天器太大了，或許無(wú)法從地球表面起飛，因此不得不在軌道上建造，但目前我們還不具備在太空制造航天器的能力。
克羅弗德認(rèn)為，盡管與“代達(dá)羅斯計(jì)劃”提出之時(shí)相比，科學(xué)家們現(xiàn)在對(duì)該項(xiàng)目背后的科學(xué)原理理解得更為透徹，但他認(rèn)為，巨額的成本以及巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)很可能意味著，要想讓類(lèi)似“代達(dá)羅斯”航天器這樣的設(shè)備朝恒星進(jìn)發(fā)，至少需要100年。
激光點(diǎn)火核聚變火箭
“代達(dá)羅斯”項(xiàng)目已成“昨日黃花”，取而代之的是“伊卡洛斯計(jì)劃”(Project Icarus)。該計(jì)劃目前正由英國(guó)星際協(xié)會(huì)和伊卡洛斯星際組織攜手進(jìn)行，參與這一項(xiàng)目的工程師們希望能在2100年之前實(shí)現(xiàn)星際飛行。
“伊卡洛斯計(jì)劃”的使命是研制出能到達(dá)距地球22光年范圍內(nèi)恒星的航天器，此處的恒星可能擁有宜居的系外行星。這意味著，如果某個(gè)行星被證實(shí)位于比鄰星周?chē)?，將成為這一項(xiàng)目的目標(biāo)星球。
克羅弗德表示，“伊卡洛斯計(jì)劃”會(huì)用新技術(shù)、新想法對(duì)“代達(dá)羅斯計(jì)劃”的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行升級(jí)?？茖W(xué)家們提議，讓核聚變火箭使用另一種不同的核燃料，能被激光而非電子束引爆，美國(guó)加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)的科學(xué)家們?cè)诩す恻c(diǎn)火核聚變領(lǐng)域取得的進(jìn)步，或許有助于實(shí)現(xiàn)這一想法。
再加上電子設(shè)備微型化、機(jī)器人技術(shù)以及納米技術(shù)等領(lǐng)域取得的進(jìn)步，“伊卡洛斯”航天器可能比預(yù)計(jì)重達(dá)400噸的“代達(dá)羅斯”小很多，這意味著可以攜帶更少的燃料。
用激光驅(qū)動(dòng)光帆行進(jìn)
不過(guò)，克羅弗德表示，我們最好還是將實(shí)現(xiàn)星際旅行的賭注壓在根本不使用火箭上?？茖W(xué)家們現(xiàn)在正在考慮使用光帆(使用光產(chǎn)生的壓力推動(dòng)負(fù)載)來(lái)推動(dòng)星際太空探測(cè)器行進(jìn)。例如，2010年12月8日，日本依靠太陽(yáng)輻射加速的星際風(fēng)箏“伊卡洛斯(IKAROS)”飛船，在長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的金星之旅中成功地使用其20米寬的光帆來(lái)推動(dòng)飛船前進(jìn)。“伊卡洛斯”是由日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)性太空探測(cè)器，也是世界第一個(gè)成功在星際空間運(yùn)行的太陽(yáng)帆，該太陽(yáng)帆的名字由日本工程師森治取名自希臘神話中的人物伊卡洛斯。
盡管由太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的光帆已成為一種高效探測(cè)太陽(yáng)系的方式，但還不夠快，無(wú)法在合理的時(shí)間內(nèi)跨越漫長(zhǎng)的星際距離。
克羅弗德說(shuō)，解決辦法可能是，在旅行開(kāi)始，使用功能強(qiáng)大的激光推動(dòng)光帆以極高的速度行進(jìn)，直到航天器距離激光源太遠(yuǎn)而無(wú)法從激光束那兒獲得更多推動(dòng)力。
由于驅(qū)動(dòng)激光器將在地球或軌道上建造，星際光帆航天器將不需要在旅程中攜帶燃料，因此航天器的質(zhì)量會(huì)比較小。
激光驅(qū)動(dòng)的光帆航天器也是“突破攝星(Breakthrough Starshot)”計(jì)劃的基礎(chǔ)，這一計(jì)劃由俄羅斯知名技術(shù)投資人尤里·米勒和英國(guó)著名物理學(xué)家斯蒂芬·霍金于今年4月份攜手宣布，旨在于2036年前制造出一款工作模型，整個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃耗資100億美元。
“突破攝星”計(jì)劃的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)數(shù)千個(gè)配備太陽(yáng)帆的納米太空飛船“恒星芯片(StarChip)”，飛往離我們最近的恒星系，并發(fā)回照片。每個(gè)“恒星芯片”的重量?jī)H為幾克，依附到一個(gè)約4米寬的光帆上。光帆會(huì)從一艘位于軌道的“母船”那兒延伸開(kāi)來(lái)，借助地面激光器發(fā)射出來(lái)的激光，“恒星芯片”和光帆會(huì)被加速到光速的15%到20%，這將使航天器能在20年到39年間抵達(dá)距離地球4光年的比鄰星系統(tǒng)。
加州大學(xué)圣巴巴拉分校的宇宙學(xué)教授菲利普·魯賓對(duì)“突破攝星”計(jì)劃背后的概念進(jìn)行了深入研究。他認(rèn)為，這一計(jì)劃面臨的最大挑戰(zhàn)是制造出足夠強(qiáng)大的激光器來(lái)驅(qū)動(dòng)光帆航天器。
巴薩德星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)
除使用光帆外，任何飛船都需要攜帶大量燃料，并耗費(fèi)很多能量來(lái)運(yùn)送這些燃料。光帆雖然解決了這個(gè)問(wèn)題，但卻缺乏靈活性，難以進(jìn)行隨意的加速減速和軌道調(diào)整。而使用星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛船，可以不犧牲靈活性而解決燃料攜帶方面的問(wèn)題，因?yàn)楹司圩兊娜剂蠚湓谛请H空間中到處都是，只要在飛行途中把它們搜集起來(lái)，送進(jìn)反應(yīng)爐中就可以了。
巴薩德星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)這一概念由美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·巴薩德于上世紀(jì)60年代提出，兼具核聚變?nèi)剂系拇笸屏σ约肮夥牡腿剂闲枨筮@兩方面。
巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)自身并不攜帶任何燃料，它會(huì)使用位于太空艙前面的一個(gè)延伸數(shù)千公里的漏斗形電磁場(chǎng)，“舀起”星際空間內(nèi)極其纖細(xì)的氣體和灰塵——所謂的星際介質(zhì)。這些星際介質(zhì)中的氫氣會(huì)被壓縮并被用作位于太空艙后部的核聚變火箭的燃料，驅(qū)動(dòng)太空艙前進(jìn)。
從理論上說(shuō)，只要旅行中的星際空間內(nèi)存在足夠多的星際氣體，由巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的航天器就能持續(xù)不斷地加速前進(jìn)，其行進(jìn)速度可能非常接近光速。由此，這種巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)成為很多科幻小說(shuō)中的“常用道具”。例如，在美國(guó)著名科幻小說(shuō)作家拉里·尼文的《已知空間》系列小說(shuō)和包括《環(huán)形世界》在內(nèi)的短篇小說(shuō)中，都可見(jiàn)這種發(fā)動(dòng)機(jī)的“倩影”；另外，波爾·安德森于1970年發(fā)表的小說(shuō)《T-零度》對(duì)一個(gè)失控后高速飛行的星際沖壓飛船上所發(fā)生的事情進(jìn)行了描寫(xiě)。
但不足之處在于，太陽(yáng)系和附近恒星周?chē)男请H介質(zhì)非常少，而且科學(xué)家們已經(jīng)估算出，那里沒(méi)有足夠的氫氣來(lái)給巴薩德發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料。
不過(guò)，克羅弗德解釋稱(chēng)，科學(xué)家們已經(jīng)提出了幾個(gè)方案來(lái)解決這一問(wèn)題，其中包括一種所謂的“沖壓增強(qiáng)恒星火箭”，這種火箭使用收集到的物質(zhì)作為反應(yīng)物驅(qū)動(dòng)太空艙向前。
