[科普中国]-且看“突破摄星”计划如何突破

北京时间4月13日8点零8分，著名天体物理学家史蒂芬•霍金在纽约发布了一条微博，宣布将启动一个超级科研项目：建造一个激光推进的微型星际飞行器，预计最快用20年抵达离太阳系最近的恒星系统——半人马座阿尔法星（Alpha Centauri）。

图1 米尔纳和霍金主持新闻发布会

说到这个半人马座阿尔法星，好多人不明觉厉，其实就是我们常说的比邻星，中国古代也称为南门二，到地球的距离约为4.2光年，是距离我们最近的一个恒星系统。所以很多科幻电影或科幻小说中提到星际旅行的时候就往往以此作为一个例子。刘慈欣的科幻小说《三体》中也提到了半人马座阿尔法星。

图2 半人马座阿尔法星（Alpha Centauri）是距离地球最近的恒星

比邻星位于半人马座（Centaurus），是半人马座α三合星中的第三颗星，按照拜耳命名法也称为半人马座α星C，是距离太阳最近的一颗恒星（4.2光年），恒星分类属于红矮星。
现在的高精度天文观测发现，比邻星实际上处于一个三星系统中。

图3 比邻星所在的三星系统

这个计划太激动人心了，听着就让人心潮澎湃。
然而，实际上，这是一项基础研究项目，在理论上是可行的，但在工程技术实现上，是一项大胆的冒险计划，成功的可能与失败的风险并存。
“突破摄星（Breakthrough Starshot）”计划由美国宇航局（NASA）艾姆斯研究中心前总监沃尔登带领。背后的金主是俄罗斯互联网投资人尤里•米尔纳。除霍金外、Facebook创始人马克•扎克伯格也参与了该计划的监督委员会。目前，该计划已经获得高达1亿美元的经费支持。
俄罗斯人尤里•米尔纳（Yuri Milner）掌管着一家风险投资基金公司DST（数字天空科技），其所投资的公司中已经出现了两家千亿美元级公司（阿里巴巴和Facebook）和数家百亿级公司（京东、Twitter等），从这些互联网巨头身上赚了上百亿美元。短短几年，米尔纳成为了世界上最有名的投资人。但不为人知的是，米尔纳拥有粒子天体物理的博士学位。他的办公室里就有一架望远镜，随时可以观测星空。

图4 米尔纳和霍金共同开启寻找外星人计划

前几年，米尔纳曾牵头成立了奖金300万美元的科学突破奖，旨在奖励生命科学、基础物理和数学领域的杰出人才，而诺贝尔奖的奖金才100多万美元。
2015年，米尔纳更是拿出1亿美元资助地外文明搜寻计划（SETI），邀请宇宙大爆炸理论主要贡献者之一的史蒂芬•霍金、地外文明搜寻计划创始人弗兰克•德瑞克（Frank Drake）、系外行星发现者杰弗里•马西（GeoffreyMarcy）组成阵容豪华的科学家团队，目的只为寻找外星人。地外文明搜寻计划主要通过租用大型射电望远镜，监测宇宙中的无线电波，分析其中是否存在地外智慧生命发射的信号。虽然该计划已经坚持了几十年，但由于大型望远镜租金昂贵，每年只能租到二三十个小时的观测时间，一直进展缓慢。今后，在米尔纳的资助下，地外文明搜寻计划将长期租用位于西弗吉尼亚州的绿岸望远镜和澳大利亚新南威尔斯州的帕克斯望远镜，这两架世界上数一数二的射电望远镜每年都将有几个月的时间用来寻找外星人。
“突破摄星”计划中提出的“纳米飞行器”，可以在短短几分钟内加速到光速的五分之一，即每秒钟飞行六万公里。相比之下，迄今为止人类历史上飞行速度最快的航天器——“新视野号”在飞越木星加速后的峰值速度也仅每秒钟飞行20公里（每小时7.5万公里），以这一速度飞到冥王星就用了10年时间，如果以这一速度飞到比邻星，则至少需要一万四千年以上，显然是人类很难接受的。
因此，米尔纳和霍金希望研制速度为光速五分之一的“纳米飞行器”，在二三十年内就可以飞越4光年以上的距离，主要目的是希望快速抵达离我们最近的另一个恒星系统，去探索那颗恒星周围的行星，在带去人类信息的同时，也把那里的信息带回地球。
“纳米飞行器”主要由两部分构成：计算机芯片大小的“星芯片”和不过几百个原子那么厚的“太阳帆”。其中，仅有数克重的星芯片上携带着摄影、导航和通讯等设备。

图5 完全展开后的太阳帆效果图

按照计划，科学家需要先在地球上建造大规模的地基激光发射器，然后发射一个航天器，将数千个“纳米飞行器”带入太空。“纳米飞行器”进入太空后张开光帆，地面上的激光发射器聚焦激光束，发射强大能量的激光，把激光打在光帆上，提供“纳米飞行器”飞行的动力。
这一方案从理论上是可行的，但至少在目前，还没有能力制造出飞行速度达五分之一光速的飞行器。

图6 地球上需要建设巨大的激光发射器阵列，向太空发射聚焦激光束

图7 地球上发射功率强大的聚焦激光束，推动太阳帆加速飞行，把“纳米飞行器”加速到光速的五分之一

所谓太阳帆，是靠太阳光的光压推动帆面，进而提供推力的结构。由于太阳光的光压很微小，星际旅行所需的太阳帆面积要非常庞大，而且要先把太阳帆折叠起来，用火箭把它带入太空，然后在太空中展开。太空中没有任何空气阻力存在，依靠这种微弱推力能为足够大面积的太阳帆提供10e^-55～10e^-3g左右的加速度。为了保证航向的正确，还需要调整帆面张开的角度和方向。
“突破摄星”这个史无前例的大胆设想面临的挑战也是十分巨大的。
难点之一，激光推进需要在地面建设强大激光源，不断地跟踪、照射飞行器，但激光源从遥远距离怎样才能一直瞄准这么小的“纳米飞行器”？
难点之二，由于光的能量与距离平方成反比，随着飞行器离地球越来越远，激光所能提供的动能也会迅速衰减。
难点之三，即便“纳米飞行器”真的飞到了比邻星，如何把信息传回来也是一个巨大的困难。现在航天器上都有一个外形像锅一样的天线，向地球方向发射无线电波，然后被地球上的大天线接收，但这种方法显然不适用于“纳米飞行器”。因此需要一种全新的通信体制，既轻便，又能避免能量的快速衰减，否则信号将无法传递到地球。
尽管有众多明星为“突破摄星”计划站台，包括大名鼎鼎的霍金坐镇，但是，霍金和这些明星们却不会直接参与项目中的具体研究。霍金在该项目中主要是作为有公众影响力的科学家，扮演着“突破摄星”计划“科学代言人”的角色。米尔纳2015年投资1亿美元支持的地外文明搜寻计划，同样邀请霍金加入科学家团队，目的和操作手段基本相似。
虽然在我们看来，米尔纳、霍金现在的计划更像是在烧钱，但成功的科学家和投资者有共同的特质，那就是既需要有一往无前的勇气，也需要严细慎实的精神。好奇是人类的天性，科学是被好奇心驱动的。我们有理由期待，毕竟，对未知世界的探索，总是处于人类创新的前沿。