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(yáng)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(rèn)太陽(yáng)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(jìn)步，到2009年被發(fā)現(xiàn)的系外行星已超過(guò)400顆。2011年2月20日，美國(guó)航宇局項(xiàng)目主管威廉·波魯克奇宣布：上天不到兩年的開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡，在普查銀河系局部區(qū)域時(shí)，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(zhuān)家們由此推測(cè)，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(mén)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(xiě)出來(lái)，與有興趣的朋友們討論交流。

從錢(qián)學(xué)森“設(shè)想”說(shuō)起

1963年2月，中國(guó)航天事業(yè)奠基人錢(qián)學(xué)森的專(zhuān)著《星際航行概論》出版。在書(shū)中，錢(qián)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(gè)要點(diǎn)如下：

1.不能靠化學(xué)燃料動(dòng)力實(shí)現(xiàn)宇宙航行。從太陽(yáng)系飛到其它恒星，路途極其遙遠(yuǎn)。錢(qián)老認(rèn)為：“如果用現(xiàn)在我們能達(dá)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(wàn)年，這種旅行是不可設(shè)想的”。

2. 實(shí)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(qián)老認(rèn)為：“要突破太陽(yáng)系的范圍，進(jìn)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(qián)老設(shè)想了一個(gè)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(jí)火箭（每一級(jí)的質(zhì)量比6.24）,一級(jí)用來(lái)加速火箭到0.80倍光速，一級(jí)作剎車(chē)之用。最大加速度約2g，那么加速和減速對(duì)飛船中的人來(lái)講各為1年,等速飛行一段時(shí)間對(duì)飛船中的人來(lái)講是2.5年，共需4.5年……”。

3.“能源”是實(shí)現(xiàn)宇宙航行的關(guān)鍵。錢(qián)老認(rèn)為：“就是用今天看來(lái)是最強(qiáng)的能源，也解決不了宇宙航行的問(wèn)題”。

錢(qián)老48年前對(duì)“設(shè)想”的評(píng)價(jià)是：“這是不可設(shè)想的質(zhì)量比。所以就是用今天看來(lái)最強(qiáng)的能源，也解決不了宇宙航行的問(wèn)題。因此，宇宙航行不同于星際航行，星際航行是現(xiàn)實(shí)的，而宇宙航行還只不過(guò)是一個(gè)偉大的理想”。

人類(lèi)進(jìn)入太空已半個(gè)多世紀(jì)，實(shí)踐證明48年前錢(qián)老的判斷和擔(dān)心都是正確的：

1. 已飛出太陽(yáng)系的“旅行者”1號(hào)探測(cè)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(wàn)億千米），要飛8.3萬(wàn)年才能到達(dá)，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?cè)O(shè)想了諸如核聚變動(dòng)力火箭（包括一般受控核聚變和核聚變脈沖推進(jìn)）、激光動(dòng)力推進(jìn)、光子火箭推進(jìn)（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(guó)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(fèi)地球上已產(chǎn)出的全部能量。有人甚至認(rèn)為要比此估計(jì)值還要高出百倍）。

白矮星（a．中亮星為主星天狼星A）

激光動(dòng)力推進(jìn)器

但“宇宙航行”是不是就絕對(duì)無(wú)解呢？

天無(wú)絕人之路。近幾年來(lái)，筆者的目光盯住了錢(qián)老設(shè)想中的“一級(jí)作剎車(chē)之用”。誠(chéng)然，不剎車(chē)不行（否則飛船只能在目標(biāo)區(qū)“一閃而過(guò)”），剎車(chē)又消耗巨大的能量（若能找出其它方法剎車(chē)省掉一級(jí)火箭，按“每一級(jí)的質(zhì)量比6.24”計(jì)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(dòng)力以外，在宇宙航行中，還真的有個(gè)“天然減速器”——具有極強(qiáng)磁場(chǎng)的“磁白矮星”，它也能給力使飛船剎車(chē)。

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(yáng)相當(dāng)（0.96M⊙～1.05M⊙），密度高達(dá)1000萬(wàn)噸/立方米。白矮星的磁場(chǎng)強(qiáng)度較高，理論量級(jí)為105~108高斯（太陽(yáng)極區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)100 T，則稱(chēng)其為“磁白矮星”。 1985年天文學(xué)家確定天龍座一顆白矮星場(chǎng)強(qiáng)達(dá)1.65×104～3.5×104T，它是較早被認(rèn)證的磁白矮星之一，距離我們約42光年；目前已被認(rèn)證的磁白矮星中有個(gè)別場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)8×104T。

磁白矮星可用來(lái)“剎車(chē)”

眾所周知，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的超導(dǎo)體會(huì)因磁力的作用改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。做過(guò)“超導(dǎo)體懸浮實(shí)驗(yàn)”的人都有體會(huì)，當(dāng)超導(dǎo)體試樣懸浮起來(lái)以后，如果拿個(gè)小膠木棍去推它，就會(huì)感到有一股阻力在抵抗你的推動(dòng)。自然，這個(gè)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(chǎng)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(chǎng)的磁力線無(wú)法進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部，所以，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)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(chǎng)壓力要大于后方受到的磁場(chǎng)壓力，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)超導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力。

基于這個(gè)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(xiǎn)的目標(biāo)途中有一顆具有強(qiáng)大磁場(chǎng)的磁白矮星，那么，可以先近距離飛過(guò)這個(gè)磁白矮星，利用它的磁場(chǎng)對(duì)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(biāo)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(chǎng)作用力，在減速過(guò)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(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受到的磁阻力 F 與：①磁白矮星的磁場(chǎng)強(qiáng)度b（單位為T(mén)）；②飛船相對(duì)于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)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(jì)算：

飛船變速（剎車(chē)）航線示意

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，進(jìn)場(chǎng)初速0.1c，距中心48600千米處，磁場(chǎng)力≈1.51×1011牛,而此時(shí)星體對(duì)飛船的萬(wàn)有引力僅為磁場(chǎng)力的1/237 。在磁白矮星近旁，磁場(chǎng)對(duì)超導(dǎo)飛船相對(duì)于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)的阻力大大超過(guò)萬(wàn)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(lái)作為宇宙航行的中轉(zhuǎn)站的原因。

宇宙航行時(shí)可利用途中磁白矮星作為中轉(zhuǎn)站，使飛船速度量級(jí)由進(jìn)場(chǎng)的0.3～0.1c（90000～30000千米/秒）下降到離場(chǎng)的0.005c（1500千米/秒）以下,剎車(chē)效果十分顯著。另外，計(jì)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(jìn)場(chǎng)的1000千米/秒增加到離場(chǎng)的16000千米/秒)。這個(gè)辦法最大的好處是變速過(guò)程中飛船基本不消耗燃料,但飛船完成變速時(shí)間很短，必須能承受極高的過(guò)載。

但是，如果用“智能機(jī)器人”代替航天員打頭陣，將“來(lái)、回”都要加速和減速的宇宙飛船改為有極強(qiáng)自主功能的“單程”無(wú)人探測(cè)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(guò)延長(zhǎng)航行時(shí)間降低對(duì)動(dòng)力的苛刻要求，為半個(gè)世紀(jì)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(qián)老在《星際航行概論》中寫(xiě)到“氘火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是最有希望的發(fā)動(dòng)機(jī)”，“可以斷言，氘火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)現(xiàn)將使人類(lèi)的星際航行進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代”（見(jiàn)該書(shū)第149頁(yè)）。48年來(lái)，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(rèn)為半個(gè)多世紀(jì)后才能用它發(fā)電，至于將它做成火箭用的發(fā)動(dòng)機(jī)，則需要更長(zhǎng)的時(shí)間（除了噴氣速度達(dá)到0.1c，發(fā)動(dòng)機(jī)還不能太重）。

雖然目前太陽(yáng)系周?chē)欠翊嬖诒疚脑O(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(lái)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(guó)天文學(xué)家保爾·卡拉斯宣布實(shí)際觀測(cè)到距離25光年的系外行星“北落師門(mén)b”繞恒星運(yùn)動(dòng)的蹤跡，它使人們首次目睹了“行星就在我們周?chē)钡氖聦?shí)。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(jí)的行星Gliese 581c，其表面溫度竟然是1℃～51℃。科學(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(gè)事實(shí)不僅使人們真切地感受到“類(lèi)地行星近在身旁”，也使人們有理由期待，過(guò)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(biāo)的類(lèi)地行星”！

行星繞恒星北落師門(mén)運(yùn)動(dòng)的蹤跡右下角放大圖中顯示出一顆行星“北落師門(mén)b” 圍繞恒星“北落師門(mén)”運(yùn)動(dòng)的軌跡（2004和2006年兩次照相，它處在不同的位置上），“北落師門(mén)”周?chē)募t色光影區(qū)是繞它運(yùn)動(dòng)的小天體帶或塵埃盤(pán)

太陽(yáng)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(wàn)分之幾，所以觀測(cè)起來(lái)就像是辨認(rèn)在大探照燈前飛舞的小螢火蟲(chóng)，很難得到用以確定表面磁場(chǎng)強(qiáng)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(méi)有標(biāo)明南河三B的表面磁場(chǎng)強(qiáng)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(guó)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(yáng)到天王星的距離。筆者未查到天狼星B的磁場(chǎng)強(qiáng)度資料，但也給人一種聯(lián)想：說(shuō)不定過(guò)幾年天文學(xué)家給大家一個(gè)驚喜，那是顆磁白矮星……。

北落師門(mén)在星座中的位置

北落師門(mén)行星系統(tǒng)與太陽(yáng)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(yùn)行

Gliese 581 c行星表面的想像圖

曾有學(xué)者猜測(cè)太陽(yáng)有一個(gè)遙遠(yuǎn)的性質(zhì)未知的暗伴星，白堊紀(jì)末期恐龍的滅絕就與它有關(guān),然而至今也沒(méi)有找到它，但是也沒(méi)有證據(jù)表明它不可能存在。如果將來(lái)人們找到它并確定它是一顆具有較高自轉(zhuǎn)速度的強(qiáng)磁白矮星，那時(shí)就可以利用它來(lái)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(qián)學(xué)森先生誕生100周年。他在《星際航行概論》中對(duì)宇宙航行的科學(xué)分析，使大家認(rèn)識(shí)到實(shí)現(xiàn)“偉大的理想”的艱難。他在文章中說(shuō)的“我們有信心不但能夠像今天那樣進(jìn)入星際航行的時(shí)代，而且也將實(shí)現(xiàn)宇宙航行”，更使后輩們意識(shí)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(lèi)實(shí)現(xiàn)宇宙航行的夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)。

兩個(gè)恒星間航行設(shè)想及比較