霍金計畫取得突破!有生之年或能飛到4光年外的比鄰星,只要22年

薛定諤的貓 2021/08/01 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

在太陽系之外的浩瀚銀河系中,分佈著上千億顆恒星,位於半人馬座的南門二是離我們最近的一個恒星系統,距離只有4.37光年。南門二有別於我們的太陽系,因為它包含著三顆恒星,其中最近的是比鄰星,離我們只有4.25光年。

在2016年,天文學家發現比鄰星周圍環繞著一顆行星,這震撼了天文學界。這顆被命名為比鄰星b的系外行星是一顆「超級地球」,質量達到地球的1.6倍,半徑為地球的1.3倍。而且比鄰星b的公轉軌道位於宜居帶中,意味著它可能像地球一樣有條件誕生出生命。

這個重大發現引發了人們的無限遐想,比鄰星b上究竟有沒有外星文明呢?由於比鄰星b又小又遠,人類目前最強大的天文望遠鏡也無法直接窺探到它。想要知道這顆系外行星到底是什麼樣子,只能飛到它附近進行探測。

4光年在宇宙中只能算是近在咫尺,以每秒將近30萬公里的光速飛行,只要4年就能走完,但這對於人類而言卻是遙不可及。如果以正在飛出太陽系的旅行者1號的速度(17 km/s),飛抵比鄰星b將需要長達7.5萬年的時間,這樣的星際探測顯然是不現實的。

我們需要速度快得多的亞光速星際飛船,但這又會遭遇相對論效應的阻礙。根據相對論的質增效應,當星際飛船的速度接近光速時,其質量將會迅速增加,進一步加速將變得非常困難,這需要飛船攜帶極多的燃料。

想要在人類有生之年內跨越地球和比鄰星b之間的遙遠距離,我們必須打破固有思維,開闢一條星際飛行的新途徑。星際飛船經過充分輕量化處理之後,可以更容易進行加速,從而達到極快的速度。

著名物理學家霍金曾在生前提出了「突破攝星」計畫,他設想了一種非常輕(克級)的光帆星際飛船,自身不攜帶燃料,它的動力來自於地面上的鐳射陣列照射出的強力鐳射,由此產生的光子輻射壓力。這樣的星際飛船可以被加速至光速的20%,飛抵比鄰星b只需大約20年的時間。

不過,想要讓光帆飛船實現亞光速飛行,還要面臨諸多挑戰。地球表面被一層大氣覆蓋著,地面雷射器發射出的鐳射在穿過大氣層時,將會發生折射,導致光帆飛船無法被正確推動。

一些人建議把發射系統放在月球上,那裡沒有大氣,鐳射可以直達光帆飛船。然而,在月球上部署鐳射陣列的成本太高了,簡直是天文數字,根本不現實,需要尋找其他方法。

最近,科學家有了新的突破。根據《美國光學學會雜誌B》(Journal of the Optical Society of America B)上刊載的一篇新論文[1],科學家提出了一種用於光學相位傳感和控制的光子解決方案,建立一種能夠補償大氣畸變的自我調整光學系統。有了這樣的系統,就能抵消大氣畸變造成的影響,從而把鐳射準確照射到光帆飛船上。

按照計畫,1億台雷射器將會分佈在1平方公里的區域中,整個鐳射陣列的總功率將會達到100 GW,耗電量巨大。但它只要滿功率運行10分鐘,光子就能讓光帆飛船獲得高達1萬g的加速度。

當鐳射陣列關閉之後,光帆飛船的速度將會被加速至五分之一光速。此後,光帆飛船將依靠慣性飛向南門二。雖然太空幾乎是真空狀態,但光帆飛船在飛行時,仍然會受到太陽引力和星際介質的作用,飛船的速度將會略微減慢,它預計會用22年的時間飛抵比鄰星b。

到達那裡之後,光帆飛船把探測資料用無線電波傳回地球,還要4年多的時間。由於光帆飛船沒有動力進行減速,它將會快速飛掠南門二,然後飛向宇宙深處。

 

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