到太陽系之外去

劉聲遠

一項大膽的計劃正在成形，它可能將讓飛行器造訪太陽系之外離我們最近的行星。

任何渴望一睹太陽系以外行星世界尊容的人，去年可以說收獲了一個激動人心的禮物。科學家2016年8月報告說，他們發(fā)現(xiàn)了一顆環(huán)繞半人馬座毗鄰星運行、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，是距離太陽系最近的恒星。

這顆行星——毗鄰星b當然是一個誘人的目的地。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系之外的一個行星世界，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并非只是科學幻想。事實上，就在這顆系外行星發(fā)現(xiàn)之前幾個月，一些企業(yè)家和科學家已經(jīng)在探訪半人馬座阿爾法星系統(tǒng)（它被認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”計劃，將大大加快研發(fā)探測器完成這趟旅行的步伐。隨著毗鄰星b被發(fā)現(xiàn)，該計劃有了一個更具體的探索目標。

實現(xiàn)這趟旅行很不容易。盡管從毗鄰星b這個名字看上去，這顆行星就像是我們的近鄰，但它卻比人造飛行器到達過的最遠地方還要遠將近2000倍。要想在一代科學家的有生之年內(nèi)讓一艘探測器到達毗鄰星b，探測器的速度就必須達到光速的1/5，還得穿越太陽系和星際空間內(nèi)的一條險惡路徑，因為這些空間內(nèi)有許許多多我們看不見的物質(zhì)團塊。接著，探測器需要在距離毗鄰星系統(tǒng)6萬千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。這一切意味著一項非常巨大的挑戰(zhàn)，但科學家相信，克服這一挑戰(zhàn)，向著目標邁進并非不可能。

其他一些科學團隊也在嘗試發(fā)射探測器甚至飛船到太陽系以外，但他們沒有像“突破攝星”計劃這么優(yōu)越的資金條件。甚至就連并未參與“突破攝星”計劃的一些天體物理學家也認為，要想在未來幾十年實現(xiàn)飛往太陽系以外的目標，“突破攝星”計劃的希望最大，部分原因是科學家們已經(jīng)發(fā)表了大量關于星際旅行的論文，其中探討了一些看似在不遠的將來可行的設想。

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

發(fā)射

對于任何像“突破攝星”計劃這樣的任務來說，第一個真正的挑戰(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系以外的行程，因為這所需的化學燃料實在太多，遠遠超出常規(guī)火箭可能攜帶的化學燃料數(shù)量。簡單說，化學燃料能送探測器甚至送人去火星，但絕無可能送探測器（哪怕是微型探測器）去太陽系以外。

因此，“突破攝星”計劃聚焦的是對光的利用。科學家從20世紀初就開始知道，光具有動能，因而能推動物體。最近，通過發(fā)射由陽光推動的大型太陽帆，科學家證明了這一點。但陽光并不足以把探測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帆。與之相比，2015年發(fā)射的太陽帆面積只有32平方米。

“突破攝星”計劃團隊分析了超過20種前往太陽系以外的推進理念，但“幾乎所有”的理念看來都暫時無法實現(xiàn)，甚至很久都無法實現(xiàn)。他們最終決定采納美國科學家盧賓的建議。盧賓在2015年提出了一種構想，它有可能讓飛行器只用20年就到達半人馬座阿爾法星系統(tǒng)。盧賓建議，運用位于地球上的一個激光陣列發(fā)射強力激光束，就能推動一艘小型光帆前往半人馬座阿爾法星系統(tǒng)。“突破攝星”團隊計劃采用常規(guī)火箭把光帆探測器送進軌道，接著使用地球上的一個1000億瓦激光陣列，連續(xù)好幾分鐘向光帆探測器發(fā)射激光，這樣就能把光帆探測器加速到每秒6萬千米。

突破攝星團隊負責人承認，他們的計劃需要依賴激光技術的突破。1000億瓦比今天最強大的連續(xù)激光還強100萬倍。為了克服這一制約，一種辦法是合并數(shù)億根不太強大的激光束，這些激光束來自至少1000米寬的一個激光陣列。但這些激光束都需要互相同相位，這樣它們的光波才會疊加，而不是互相抵消。這樣一來，激光就成為了前往太陽系以外任務所需的最重要技術之一。

飛行器

“突破攝星”團隊研發(fā)的飛行器（探測器）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、感應器、推進器、相機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，探測器和光帆（合稱光帆探測器）的合并重量僅為1克！光帆探測器越輕，激光對它的加速效應越明顯。

為了實現(xiàn)光帆探測器速度最大化，同時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。目前已有基本合適的光帆材料，那就是能反射掉多達99.999%的入射光的超薄電子絕緣體。但科學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)查這些材料會如何回應光帆探測器所需的超強激光，因為超強激光可能對這些材料造成無法預測的光學效應。

在加速階段，光帆需要保持極度平整，并且主動感應和補償激光束的不規(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區(qū)域。科學家已經(jīng)證明旋轉(zhuǎn)光帆能達到上述目的，對“突破攝星”計劃來說，這一思路很有可能行得通。

不管怎樣設計光帆探測器，光帆都必須很結(jié)實。1000億瓦的激光束會重擊光帆，由此造成的加速效應比地球上的物體受到的引力加速效應強幾萬倍。在軍事測驗中，小炮彈承受住了如此大的力量，但只有不到1秒時間，而光帆探測器將受到持續(xù)好幾分鐘的重壓。

“突破攝星”計劃將分階段推進。光帆探測器因為小而相對低成本，所以可能會每天發(fā)射一兩艘，其中一部分甚至會損失掉。光帆探測器的研發(fā)將分階段進行，第一步是建造一個雛形系統(tǒng)，它將被加速到每秒1000千米，這還不到終極目標速度的2%，總成本在5000萬美元到1億美元之間。

旅途

激光將在持續(xù)發(fā)射數(shù)分鐘后關閉，這時光帆探測器達到光速的1/5，并且穿行了幾百萬千米（大約是地球與月球之間距離的5倍）。接下來的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，最大風險是星際介質(zhì)中的塵埃顆粒、氫原子及其他微粒會撞擊光帆探測器，由此對光帆探測器造成重創(chuàng)。另外還有來自宇宙射線的風險。宇宙射線是指以接近光速疾飛于太空中的原子核，它們可能會損壞光帆探測器的重要元器件。科學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。“突破攝星”團隊計劃采用至少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，由此保護光帆探測器。

就算宇宙顆粒不會損毀光帆探測器，它們對光帆探測器的撞擊也會讓探測器偏離航道。因此，探測器需要有自己的導航系統(tǒng)。這個系統(tǒng)由超輕質(zhì)微型發(fā)電機驅(qū)動。這部發(fā)電機則采用一種放射性同位素（例如钚）充當核電池。這些系統(tǒng)需要簡單的人工智能來檢測恒星方位，并且通過點火光子推進器來調(diào)整光帆探測器的航向。

科學家不可能消除突破攝星任務涉及的所有風險，尤其是來自于星際介質(zhì)中未知物體的風險。因此，他們考慮在雛形推進系統(tǒng)制成后立即發(fā)射系列探索探測器。這些探測器可能對星際介質(zhì)進行取樣并發(fā)回數(shù)據(jù)，從而加深科學家對星際空間狀況的了解。

飛近

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

科學家希望，最好的情況是能讓光帆探測器拍攝照片。盧賓估計，光帆探測器將進入距離毗鄰星b一個天文單位（地球與太陽之間的平均距離）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。

光帆探測器上的光譜儀可能將探測毗鄰星b的大氣構成，前提是它有大氣層。科學家將重點尋找氧、甲烷及更復雜的碳氫化合物分子，它們可能是生命指征。光帆探測器搭載的儀器還可能嘗試測量毗鄰星b的磁場或其他特征，由此可能揭示毗鄰星b是否有條件支持生命。

當光帆探測器到達半人馬座毗鄰星系統(tǒng)后，將無法慢下腳步，因此它將在大約兩小時內(nèi)走完這個系統(tǒng)。這對它的測量儀器設計是個挑戰(zhàn)，因為迄今為止還沒有任何以1/5光速疾飛的相機拍攝的照片。光帆探測器搭載的相機將旋轉(zhuǎn)，從而讓毗鄰星b一直留在相機視野內(nèi)。地球上的電腦將修正由相對論效應、相機角度轉(zhuǎn)換以及與毗鄰星b的距離造成的圖像失真。

接下來將是“突破攝星”團隊面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)之一。團隊領頭人承認，他們還未對此找到解決辦法：使用1根大約1瓦的激光束，怎樣才能把來自毗鄰星b的數(shù)據(jù)傳回地球？在經(jīng)過4.22光年的極漫長旅行后，如此微弱的信號怎樣才能被在地球上探測到？盧賓設想，在地球上建造1000米寬的探測器陣列，捕捉光帆探測器發(fā)來的極微弱信號。

光帆探測器搭載的核電池驅(qū)動電容器，將讓激光束強度盡量高，類似于相機閃光燈。還可能把光帆用作天線來增強信號。不過，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，這樣一來每一個芯片的信號將可能只穿行整個距離的1/10。但這樣的方案難度更大，不確定因素也會更多。

爭議

科學界對“突破攝星”計劃看法不一。有人指出，雖然該計劃面臨如何大幅度提升激光強度等巨大的技術難題，但如果有足夠的投資來研究其中的光學原理和制造材料，這些難題或許是能夠解決的。也有人認為，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)）來說，“突破攝星”計劃的最小化設計的科幻色彩最淡，因而該計劃并非完全不可能實現(xiàn)。還有人說，“突破攝星”計劃面臨的技術屏障短期內(nèi)根本無法超越。換句話說，幾十年內(nèi)實現(xiàn)這一任務的可能性為零。

英國“伊卡羅斯星際”太空探索機構（伊卡羅斯是希臘神話中代達羅斯之子，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，蠟翼被陽光融化，他墜海而亡）總裁安德烈斯說，就算光帆探測器真的能到達毗鄰星b附近，它也不可能提供有用的數(shù)據(jù)。他說，光帆探測器向地球發(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，但它聚焦的是核聚變驅(qū)動任務，該任務可能會推動一艘比光帆探測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，而且可能把機器人行星車送上毗鄰星b。

在任何毗鄰星b探測器發(fā)射之前，科學家依然能了解這顆系外行星的大量情況。美國宇航局的“詹姆斯·韋伯太空望遠鏡”計劃于2018年底發(fā)射，多座大型地面望遠鏡也計劃在未來幾十年中建成。有了它們，科學家可能查明毗鄰星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，而地球上哪怕最強大的望遠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”計劃的支持者說，雖然該計劃能否實現(xiàn)是一個問題，但計劃的執(zhí)行過程一定會提升我們探索系外行星的能力。能夠推進光帆探測器到半人馬座毗鄰星系統(tǒng)的激光陣列，也可能讓探測器在幾天內(nèi)飛到太陽系的任何地方，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，太空探索是不是會發(fā)生翻天覆地的突破？就算只是設想一下，也能望梅止渴。