突破摄星的一个问题和解决方案

Provide ships or sails adapted to the heavenly breezes, and there will be some who will brave even that void.

— Kepler in a letter to Galileo, 1610.

你知道物理学家霍金、Facebook创始人扎克伯格和俄罗斯亿万富翁米尔纳之间有什么共同点吗？那就是他们都希望在半人马座阿尔法星（离太阳系最近的一个恒星系统，距离我们4.37光年）找到外星生命的踪迹。

△ 突破摄星计划。（图片来源：Breakthrough Initiatives）

2016年4月的时候，霍金就在微博上宣布“突破摄星”计划，把旅行去半人马座阿尔法星的时间从3万年瞬间缩短为20年左右！这就意味着在未来我们或许很快就能看到离我们最近的恒星系统的高清面目。

而在2016年8月，天文学家宣布在半人马座比邻星找到了一颗类似地球的行星（称为比邻星b）的确凿证据。作为2016年物理学十大突破，这个发现更加使突破摄星的计划具有意义。

△ 半人马座阿尔法星是一个三星系统，包括A、B和比邻星；右边是太阳。（图片来源：UPR Arecibo）

突破摄星的计划旨在研发出一个“纳米飞行器”（包含星芯片和光帆两个主要部分），通过地球表面的巨大激光阵列（可观看以下视频），发射高能激光束聚焦在光帆上，驱动纳米飞行器飞向目标。计算表明，在空旷的空间中，没有任何阻力，光子的微小动量已足够把小探测器加速到五分之一的光速。如果成功的话，飞行器将在20年左右到达半人马座阿尔法星，并发送回比邻星b的照片。

虽然这是一个激动人心的计划，但现实是我们要克服许许多多的技术问题。而其中一个是跟减速有关。当光帆以20%的光速航行到半人马座阿尔法星的时候，研究人员不知道如何使光帆减速。所以当探测器在地球发射的20年后到达半人马座阿尔法星，它在几个小时内就会遇到恒星。在这么短的时间内，或许它可以传送回一些关于恒星系统和行星的照片，但远远达不到我们想要的。而且，摄像机在如此高速运动下，并不会拍出比较有价值的照片。

因此，如何减速就成为这个计划急需解决的一个大问题！

现在，来自德国马普研究所的两名研究人员提出了一个新的方案。我们可以利用辐射和引力使光帆减速，并且收集更好、更有价值的数据。

在新的方法中需要对原有的设计进行修改，而这并不简单。首先，光帆的面积必须达到10万平方米，相当于14个足球场的面积，大小是原有设计的6250倍。如此大的光帆需要非常特殊的材料，才能使它又轻又薄又足够坚硬，石墨烯或许是一个选择但还不清楚。其次，为了捕获足够的辐射来减速，探测器的速度只能达到光速的4.6%，因此需要95年的时间才能到达半人马座阿尔法星。当然，新设计的好处在于不需要地面的激光阵列，仅仅通过太阳的辐射就能够获得加速。

△ 美国行星协会设计的“光帆二号”，预计今年发射。光帆的基本原理是利用太阳光的压力来加速。当光帆反射太阳光时，由于每个光子都有一定的能量和动量，光帆就会获得一定的动量。（图片来源：The Planetary Society）