疯狂计划欲造访太阳系外最近行星

到达比邻星b分几步?

艺术家幻想的比邻星b非常美丽。一两代人之后,造访该行星的任务或将形成更加精确地表达。 图片来源:ESO/M. Kornmesser

那些渴望一观外星世界的人在去年得到了一份礼物。2016年8月,研究人员报告称发现了一个潜在的生命栖息地——围绕距太阳最近的恒星比邻星运行的一个大小类似地球的行星,它距离地球仅有1.3秒差距,或4.22光年。

这是个非常具有诱惑力的星球,一些人甚至认为其诱惑不可抵挡。向这个被称为比邻星b的行星上发射一艘飞船,将能让人们对太阳系外的世界一睹为快。

“很明显,如果我们能够到达这个最近的恒星系统,那么将是向前迈进巨大一步。”美国加州帕萨迪纳市行星科学与技术协会执行主任Bruce Betts说。

到达比邻星b的想法并非天方夜谭。实际上,在发现这个地外星系之前,一群商业领袖和科学家就已经宣布了“突破射星”计划,该研究将由俄罗斯投资者尤里·米尔纳出资1亿美元支持,以加速推动相关研究,开发可以实现此次旅行的太空探测器。

不过,到达那里并非易事。尽管比邻星b从名字来看似乎并不远,但它到地球的距离仍是目前任何人造探测器可以到达的距离的近2000倍。要在一位科学家的一生内实现它,探测器将需要达到相当于1/5光速的速度,并导航它通过太阳星和星际空间极为复杂的航行。

而且,它将需要在每秒6万公里的飞行速度下在掠过比邻星b时收集有用的数据,并穿过4光年将其传回地球。所有这些将会带来巨大的工程挑战,但该项目研究人员称:这是可能的,现在他们正在朝着那个方向努力。

发射

类似“突破射星”计划的任何太空任务真正的第一个挑战都是推进探测器的星际速度。传统火箭绝无可能,因为它们没办法以燃料形式储存足够化学能量,加州大学圣塔芭芭拉分校天体物理学家、该项目顾问和管理委员会成员Philip Lubin说。

“化学物质可能让你到达火星。”他说,“但它永远不会让你到达其他恒星。”

所以“突破射星”正在聚焦驾驭光。但太阳光并不足以驱动飞船到达比邻星系。Betts说,那将会成为巨大而笨拙的航行。

该项目执行主任Pete Worden则建议在地球上利用激光阵列形成足够强的光束,用来推进一艘小型光帆。

“突破射星”团队计划利用传统火箭将探测器发射入轨。然后地面上的一个100千兆瓦的激光阵列将会持续对光帆在几分钟内连续发射激光,从而使其达到每秒6万公里的速度。

“突破射星”计划负责人表示,他们期望激光领域能做出新突破。

探测器

“突破射星”计划的探测器将不同于以往发射到太空的任何飞船。设想一系列小型电子设备、感应器、推进器、照相机以及一块电池均被集中在一艘约4米宽的环形或方形光帆中央的一块约1厘米宽的芯片上,它们总质量仅为1克。

探测器越轻,推力就可以将它的速度提升地越快。

为了将速度最大化,并使激光对探测器造成的损伤最小化,这样的光帆需要能够反射几乎所有传向它的光。目前,能够反射99.999%的入射光的薄电绝缘体材料已经存在。

但研究人员仍需要增加其产量并降低其成本。

无论是什么样的设计,探测器必须异常坚固。100千兆瓦的激光将会给它以猛击,使其达到数以千万倍的加速度抵抗地球引力。Worden表示,军事测试中,炮弹已经经受住了这样的力量,但时间却仅有1秒,而非激光将连续攻击该光帆的几分钟。

此外,该探测器将体形微小,成本低廉,如此一来它变可以每天发射一艘光帆,或是一天发射多艘光帆。Worden表示,建设该探测器的第一步将是建设一个每秒可加速至1000公里的原型系统,相当于“突破射星”计划探测器速度的2%。

·旅程

·一旦驱动探测器到达1/5光速,并履行了两三百万公里之后(相当于地月距离的5倍),激光器将会被关闭。如果一切理想,那么接下来的20年将是极为枯燥的时间。

·然而,实际上,这一过程中也充斥着与灰尘块、氢原子以及星际空间中的其他粒子碰撞的严酷风险。为了避免这些风险,“突破射星”计划在探测器最前缘覆盖至少1毫米厚的防护材料,如铍铜合金。

如果探测器没有被撞毁,那么也可能会使其飞离原定路线。因此,探测器需要其自身导航和驾驶系统,它可以用质量极轻的用放射性同位素如钚-238核电池发电机驱动。

这些系统将需要基本的人工智能技术,来监控横行的位置并通过光子推进器调整路线。“我给人们讲的是,芯片上‘需要像尼尔·阿姆斯特朗(第一个登月者)和查克·耶格尔(太空英雄)那样’实时做出关键决策。

”纽约哥伦比亚大学天体物理学家Caleb Scharf说。

飞掠

到2060年,如果一切按计划进行,“突破射星”探测器上载荷的计算机将被唤醒,像地球发送声音做出周期性状态检验,表明它在接近比邻星,并准备进行飞掠。

专家一致认为,最大的有限性是拍摄一张照片,揭示该行星上是否具有像地球一样的水和绿色植被,而是像火星一样荒凉。同时,如果比邻星b有大气层,那么探测器载荷的分光仪将探测其构成成分,探寻氧气、甲烷以及更加复杂的碳氢化合物等潜在的生命标志。

这一过程中包含了该项目负责人认为“突破摄星”计划最严峻且目前尚未解决的挑战:如何用1瓦特的激光将比邻星的数据传给地球上热切等待其回音的天文学家,同时让这个信号经过4.22光年的太空之旅后依然足够强,被地球接收到。

Lubin设想在地球上建造一个一公里宽的探测器阵列,以捕捉该探测器踹来的微弱信号。

新能力

并为参加此项研究的专家对该项目的态度有乐观,也有怀疑。华盛顿特区光学协会首席科学家Gregory Quarles说,在大幅提升激光能量以及其他所需要的技术方面,“我认为存在极大的挑战”。

但她补充说,随着公共和私人对光学和材料学领域的资金支持,“这些投入将会带来回报”。

然而,还有一些人则担心过多技术障碍可能会压倒一切。“对于不远的未来实现这一点我持保留态度。”Betts说,“每一块技术似乎都是可以克服的,但当要把它们簇拥到一个又小又轻的探测器向上时将会存在极大挑战。

伊卡鲁斯星际航行协会理事长Andreas Tziolas认为,即便“突破射星”计划到达了比邻星b,它也不可能提供有用的数据。“在极快的运行速度下,它拍摄到比邻星并传回地球的可能性几乎不存在。

”他说。

实际上,天文学家也可以不向我们最近星系发射探测器来了解比邻星b。詹姆斯1微博望远镜已定于2018年年底发射,未来10年还有若干地面上的巨型望远镜将建成。

利用它们,天文学家也可以了解该行星上是否有生命。

不过,正如天文探索者们所说的,没什么能够替代到达那里。该任务赞同者表示,它还会带来广泛的回报。“我觉得‘突破射星’是在夯实科技发展潜力。

”该项目顾问委员会成员、英国论文星际研究计划主任Kelvin Long说,“它就像登月一样。”驱动探测器到达比邻星系的激光阵列,将能够在数天内把探测器送往太阳系内的任何地方,或是在一两周内送入星际介质,他说。

那样的能力将会让太阳系探测成为常规。“你希望如何把明天的亚马逊包裹送往火星?”Lubin说,“这将会给我们探索太空的方式带来根本性的变革。

SOURCE: http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/3/371451.shtm

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