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20年内到达比邻星!最早2036年出发,有生之年能见到“三体人”吗

2021.06.16

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4.22光年外,有一颗距离我们太阳系最近的恒星,那就是比邻星。说是最近,但对于人类来说其实也非常遥远。对于目前的人类来说,这仍然是遥不可及的目标。

不过,再过不久,或许我们真的有机会近距离探测这颗恒星,只要一个项目能够成功。

(图片说明:迄今为止人类拍摄最清晰的比邻星图像)

2016年的时候,亿万富豪尤里·米尔纳创立了著名的突破计划,参与其中的还有已故著名物理学家斯蒂芬·霍金,另外一位富豪扎克伯格也有参与。突破计划不止有一项,其中比较著名的一个,就是突破摄星计划。该计划的目标,就是利用探测器前往比邻星,对太阳系以外的恒星系统进行近距离观测。

星际航行对于人类来说,仍然是一项非常困难的任务。人类发射最远的航天器——旅行者1号从1977年发射升空到现在,已经44年了,也只飞出去了二百多亿公里,而比邻星距离我们大约有400000亿公里!

没有完全脱胎换骨的动力系统,是不可能实现这样的星际穿越的。

(图片说明:旅行者1号)

解决方案有一个,那就是光帆。所谓的光帆,就是利用光压进行加速的方法,实现航天器的快速飞行。由于太阳光可以照射到非常远的距离,所以光帆在旅行过程中可以加速很长时间,从而达到相对论性速度。这样一来,前往比邻星就非常快了。

为了尽可能获得高的加速度,航天器本身要越轻越好,总体质量不超过1公斤,配备的传感器、照相机和无线电天线等设备都是微型的。另外,光帆面积要够大,才能获得足够的光压。根据设想,光帆的尺寸要达到4米*4米。

即便如此,科学家们还不满足。在力所能及的范围内,我们还要进一步提高光帆的速度。所以,在地球上,我们可以通过激光给它提供更加强大的光压,也就是初始速度。研究人员指出,通过一个10万兆瓦的激光阵列加速,光帆可以被加速到光速的20%。这样一来,前往比邻星只需要20年就够了!

(图片说明:光帆)

想法很美好,能实现吗?

目前来说,还是可行的。最近,澳大利亚国立大学引力天体物理学中心(CGA)的研究员Chathura P. Bandutunga博士领导的一支团队,对这个的激光阵列建设提出了他们的设想。

他向我们介绍:“想要跨越比邻星和我们太阳系之间的巨大鸿沟,我们就不能拘泥于固有思维,而是为星际旅行闯出一条新的道路。一旦实现,光帆就能够在20年的时间里抵达目的地,并在飞越比邻星的时候记录下图像和科学观测数据,将其传回地球。”

(图片说明:光帆接近比邻星的假想图)

想要实现这样大功率的激光,并不是一件容易的事,这相当于当今世界上最大电池的100倍。研究人员指出,最好的办法就是利用108个地基激光阵列共同发射激光。本次研究的参与者之一Robert Ward指出,我们需要的激光器数量将会非常多,大约需要1亿个!而且,它们要完美地配合,才能将光压聚焦在面积仅16平方米的光帆上。

另外要解决的问题之一,就是测量每个激光器的漂移。ARC工程量子系统中心的Sibley博士告诉我们:他们尝试利用一些随机的数字信号来扰乱激光器的测量,并单独解码其中每一个单独的信号进程。通过这个方法,就可以在大量混乱的信号中找到需要测量的数据。通过将小的阵列连接在一起,可以很好地解决问题。

(图片说明:用于加速光帆的激光阵列假想图)

还有一个问题,那就是大气失真,这对于建立在地表的激光阵列来说是不可避免的一个问题。为了解决这个问题,研究团队认为可以发射所谓的航标卫星,用来引导来自地表的激光。航标卫星可以将激光阵列联系在一起,从而为光帆提供动力。

本次研究的另一位参与者、澳大利亚国立大学天文学和天体物理学研究学院的Michael Ireland教授解释说:“在没有修正的情况下,大气层会让射出的激光束偏离方向,和它的目标失之交臂。我们的解决方案就是激光引导卫星,也就是一种自带激光的卫星,可以在地球轨道上照亮阵列。当激光引导卫星返回地球并穿越大气层的时候,就可以测量大气的变化。我们已经开发出了一套算法,通过这些数据,就可以提前修正阵列发射出去的光。”

理论设计得好,接下来就是实验了。目前,研究人员们已经准备在实验室中对这个阵列的一些基础单元进行测试了,比如修正大气失真的算法。他们也在研究新的方法,将地表一些小的阵列有机结合在一起,形成更加巨大的阵列,提升功率。

研究人员指出:他们在澳大利亚国立大学进行的这些尝试,就是要看看这样的想法究竟能不能实现。他们的终极目标,就是提供一个随手即用的解决方案,并通过模拟来确定其在物理学上的可行性。

(图片说明:科学家设想的比邻星b表面环境)

说了这么多,都是激光阵列。这些激光想要加速,总要有光帆才行。目前,世界各国也正在研发光帆,包括我国在内也在进行这方面的研究。包括类似于这次研究中提到的激光阵列,除了该校的科学家之外,世界上其他的科学团队也在进行着类似的尝试。如果将这些研究成果汇总起来,将对光帆的实现有很大的帮助。

或许,当这样的激光阵列建设成功时,光帆的研发也已经接近尾声,届时我们真的有望去探测比邻星了。

(图片说明:日本的伊卡洛斯号光帆)

在最近的5年时间里,突破摄星计划涉及到的科学技术普遍都得到了长足的发展。人类的光帆到底何时能够启航,目前还不知道。不过根据尤里·米尔纳此前的说法,这个任务有望最早在2036年左右正式发射。按照这个进程,2060年前,光帆就能够抵达比邻星,4年后信号就能够传回来,让我们见识比邻星及其行星比邻星b的庐山真面目了。

到那个时候,科幻小说的情节将会翻转,不是“三体人”来找我们,而是我们去找“三体人”了。

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