到太阳系之外去

刘声远

一项大胆的计划正在成形，它可能将让飞行器造访太阳系之外离我们最近的行星。

任何渴望一睹太阳系以外行星世界尊容的人，去年可以说收获了一个激动人心的礼物。科学家2016年8月报告说，他们发现了一颗环绕半人马座毗邻星运行、与地球大小相仿的行星，这颗行星具有潜在可居住性（即可能存在生命）。半人马座毗邻星距离地球4.22光年，是距离太阳系最近的恒星。

这颗行星——毗邻星b当然是一个诱人的目的地。如果能把飞行器发射到它附近，人类就能第一次近距离目睹太阳系之外的一个行星世界，这将是太空探索的又一座极具历史意义的伟大里程碑。飞行器发回地球的数据，将可能揭示毗邻星b是否真的存在支持生命的条件，甚至可能揭示这颗系外行星上是否存在生命。

前往毗邻星b并非只是科学幻想。事实上，就在这颗系外行星发现之前几个月，一些企业家和科学家已经在探访半人马座阿尔法星系统（它被认为是半人马座毗邻星的家园）方面迈出了第一步。他们宣布，由俄罗斯投资家尤里·米尔纳注资1亿美元的“突破摄星”计划，将大大加快研发探测器完成这趟旅行的步伐。随着毗邻星b被发现，该计划有了一个更具体的探索目标。

实现这趟旅行很不容易。尽管从毗邻星b这个名字看上去，这颗行星就像是我们的近邻，但它却比人造飞行器到达过的最远地方还要远将近2000倍。要想在一代科学家的有生之年内让一艘探测器到达毗邻星b，探测器的速度就必须达到光速的1/5，还得穿越太阳系和星际空间内的一条险恶路径，因为这些空间内有许许多多我们看不见的物质团块。接着，探测器需要在距离毗邻星系统6万千米的地方采集有用的数据，并且把信息发回4光年外的地球。这一切意味着一项非常巨大的挑战，但科学家相信，克服这一挑战，向着目标迈进并非不可能。

其他一些科学团队也在尝试发射探测器甚至飞船到太阳系以外，但他们没有像“突破摄星”计划这么优越的资金条件。甚至就连并未参与“突破摄星”计划的一些天体物理学家也认为，要想在未来几十年实现飞往太阳系以外的目标，“突破摄星”计划的希望最大，部分原因是科学家们已经发表了大量关于星际旅行的论文，其中探讨了一些看似在不远的将来可行的设想。

“突破摄星”计划的牵头人希望，在2017年内开始注资研发“突破摄星”计划所需的技術，目标是在未来20年中发射一系列由激光推进的微型探测器。据估计，可能最终需要花费大约100亿美元。再过20年，才能完成到达半人马座阿尔法星系统的任务。

发射

对于任何像“突破摄星”计划这样的任务来说，第一个真正的挑战是把飞行器加速到星际旅行所需的速度。常规火箭不可能完成前往太阳系以外的行程，因为这所需的化学燃料实在太多，远远超出常规火箭可能携带的化学燃料数量。简单说，化学燃料能送探测器甚至送人去火星，但绝无可能送探测器（哪怕是微型探测器）去太阳系以外。

因此，“突破摄星”计划聚焦的是对光的利用。科学家从20世纪初就开始知道，光具有动能，因而能推动物体。最近，通过发射由阳光推动的大型太阳帆，科学家证明了这一点。但阳光并不足以把探测器加速到能前往半人马座阿尔法星系统的程度，否则需要很大很大的太阳帆。与之相比，2015年发射的太阳帆面积只有32平方米。

“突破摄星”计划团队分析了超过20种前往太阳系以外的推进理念，但“几乎所有”的理念看来都暂时无法实现，甚至很久都无法实现。他们最终决定采纳美国科学家卢宾的建议。卢宾在2015年提出了一种构想，它有可能让飞行器只用20年就到达半人马座阿尔法星系统。卢宾建议，运用位于地球上的一个激光阵列发射强力激光束，就能推动一艘小型光帆前往半人马座阿尔法星系统。“突破摄星”团队计划采用常规火箭把光帆探测器送进轨道，接着使用地球上的一个1000亿瓦激光阵列，连续好几分钟向光帆探测器发射激光，这样就能把光帆探测器加速到每秒6万千米。

突破摄星团队负责人承认，他们的计划需要依赖激光技术的突破。1000亿瓦比今天最强大的连续激光还强100万倍。为了克服这一制约，一种办法是合并数亿根不太强大的激光束，这些激光束来自至少1000米宽的一个激光阵列。但这些激光束都需要互相同相位，这样它们的光波才会叠加，而不是互相抵消。这样一来，激光就成为了前往太阳系以外任务所需的最重要技术之一。

飞行器

“突破摄星”团队研发的飞行器（探测器）与迄今所有的太空飞行器都截然不同。它的微型电子元器件、感应器、推进器、相机和电池都集中在一块直径大约为1厘米的芯片上，芯片则位于一张圆形或方形光帆（直径大约为4米）的中心，探测器和光帆（合称光帆探测器）的合并重量仅为1克！光帆探测器越轻，激光对它的加速效应越明显。

为了实现光帆探测器速度最大化，同时又为了让它受到的激光损伤最小化，光帆需要反射掉几乎所有的入射激光，但可能让部分激光通过。目前已有基本合适的光帆材料，那就是能反射掉多达99.999%的入射光的超薄电子绝缘体。但科学家还需要增加这些奇异材料的产量，并且降低生产成本。他们还需要调查这些材料会如何回应光帆探测器所需的超强激光，因为超强激光可能对这些材料造成无法预测的光学效应。

在加速阶段，光帆需要保持极度平整，并且主动感应和补偿激光束的不规则，这样飞行器才能不偏离轨道，否则就会前功尽弃。一种办法是让光帆旋转，由此产生的离心力把光帆拉直，让光束的不规则平均分布于光帆的整个区域。科学家已经证明旋转光帆能达到上述目的，对“突破摄星”计划来说，这一思路很有可能行得通。

不管怎样设计光帆探测器，光帆都必须很结实。1000亿瓦的激光束会重击光帆，由此造成的加速效应比地球上的物体受到的引力加速效应强几万倍。在军事测验中，小炮弹承受住了如此大的力量，但只有不到1秒时间，而光帆探测器将受到持续好几分钟的重压。

“突破摄星”计划将分阶段推进。光帆探测器因为小而相对低成本，所以可能会每天发射一两艘，其中一部分甚至会损失掉。光帆探测器的研发将分阶段进行，第一步是建造一个雏形系统，它将被加速到每秒1000千米，这还不到终极目标速度的2%，总成本在5000万美元到1亿美元之间。

旅途

激光将在持续发射数分钟后关闭，这时光帆探测器达到光速的1/5，并且穿行了几百万千米（大约是地球与月球之间距离的5倍）。接下来的20年，如果只是很单调乏味，也算是求之不得。此话怎讲？

到了这一阶段，最大风险是星际介质中的尘埃颗粒、氢原子及其他微粒会撞击光帆探测器，由此对光帆探测器造成重创。另外还有来自宇宙射线的风险。宇宙射线是指以接近光速疾飞于太空中的原子核，它们可能会损坏光帆探测器的重要元器件。科学家不清楚星际空间究竟充盈着多少微粒，更不清楚它们究竟有多大。“突破摄星”团队计划采用至少1毫米厚的覆膜（由铍铜合金之类的材料制成）包裹光帆正前方部位，由此保护光帆探测器。

就算宇宙颗粒不会损毁光帆探测器，它们对光帆探测器的撞击也会让探测器偏离航道。因此，探测器需要有自己的导航系统。这个系统由超轻质微型发电机驱动。这部发电机则采用一种放射性同位素（例如钚）充当核电池。这些系统需要简单的人工智能来检测恒星方位，并且通过点火光子推进器来调整光帆探测器的航向。

科学家不可能消除突破摄星任务涉及的所有风险，尤其是来自于星际介质中未知物体的风险。因此，他们考虑在雏形推进系统制成后立即发射系列探索探测器。这些探测器可能对星际介质进行取样并发回数据，从而加深科学家对星际空间状况的了解。

飞近

如果一切顺利，大约在2060年左右光帆探测器上的微电脑将启动，周期性地向地球发射声脉冲，让科学家了解探测器的状况，证实自己正在接近半人马座阿尔法星系统，准备进行飞近探测。

科学家希望，最好的情况是能让光帆探测器拍摄照片。卢宾估计，光帆探测器将进入距离毗邻星b一个天文单位（地球与太阳之间的平均距离）以内的位置。就算是在这样的距离，拍照依然可能揭示这颗行星是否像地球一样有水，或者像火星一样贫瘠。照片还可能显示毗邻星b上的山脉和陨击坑等地貌。

光帆探测器上的光谱仪可能将探测毗邻星b的大气构成，前提是它有大气层。科学家将重点寻找氧、甲烷及更复杂的碳氢化合物分子，它们可能是生命指征。光帆探测器搭载的仪器还可能尝试测量毗邻星b的磁场或其他特征，由此可能揭示毗邻星b是否有条件支持生命。

当光帆探测器到达半人马座毗邻星系统后，将无法慢下脚步，因此它将在大约两小时内走完这个系统。这对它的测量仪器设计是个挑战，因为迄今为止还没有任何以1/5光速疾飞的相机拍摄的照片。光帆探测器搭载的相机将旋转，从而让毗邻星b一直留在相机视野内。地球上的电脑将修正由相对论效应、相机角度转换以及与毗邻星b的距离造成的图像失真。

接下来将是“突破摄星”团队面临的最严峻挑战之一。团队领头人承认，他们还未对此找到解决办法：使用1根大约1瓦的激光束，怎样才能把来自毗邻星b的数据传回地球？在经过4.22光年的极漫长旅行后，如此微弱的信号怎样才能被在地球上探测到？卢宾设想，在地球上建造1000米宽的探测器阵列，捕捉光帆探测器发来的极微弱信号。

光帆探测器搭载的核电池驱动电容器，将让激光束强度尽量高，类似于相机闪光灯。还可能把光帆用作天线来增强信号。不过，在巨大的黑暗宇宙空间，这样的激光束依然很微弱。另一种选择是发射系列飞行器作为中转站，这样一来每一个芯片的信号将可能只穿行整个距离的1/10。但这样的方案难度更大，不确定因素也会更多。

争议

科学界对“突破摄星”计划看法不一。有人指出，虽然该计划面临如何大幅度提升激光强度等巨大的技术难题，但如果有足够的投资来研究其中的光学原理和制造材料，这些难题或许是能够解决的。也有人认为，相比于以往那些更具科幻色彩的类似方案（例如载人前往其他恒星系统）来说，“突破摄星”计划的最小化设计的科幻色彩最淡，因而该计划并非完全不可能实现。还有人说，“突破摄星”计划面临的技术屏障短期内根本无法超越。换句话说，几十年内实现这一任务的可能性为零。

英国“伊卡罗斯星际”太空探索机构（伊卡罗斯是希腊神话中代达罗斯之子，以其父制作的蜡翼飞离克里特岛，其父逃脱了，而他因飞得太高，蜡翼被阳光融化，他坠海而亡）总裁安德烈斯说，就算光帆探测器真的能到达毗邻星b附近，它也不可能提供有用的数据。他说，光帆探测器向地球发回图像的成功率几乎为零。虽然“伊卡罗斯星际”也在研究激光推進，但它聚焦的是核聚变驱动任务，该任务可能会推动一艘比光帆探测器大得多的飞行器在100年内飞到半人马座阿尔法星系统。不仅如此，这样的飞行器不仅能把有用的数据传回地球，而且可能把机器人行星车送上毗邻星b。

在任何毗邻星b探测器发射之前，科学家依然能了解这颗系外行星的大量情况。美国宇航局的“詹姆斯·韦伯太空望远镜”计划于2018年底发射，多座大型地面望远镜也计划在未来几十年中建成。有了它们，科学家可能查明毗邻星b的大气层中是否包含生命指征。尽管如此，却依然比不了直接去造访这颗行星。例如，探测器在2015年飞近冥王星，揭示了冥王星上的冰山和氮冰川，而地球上哪怕最强大的望远镜也看不到这些特征。与此相似，只有近距离观察毗邻星b和附近其他系外行星，才可能发现很多的惊喜。

“突破摄星”计划的支持者说，虽然该计划能否实现是一个问题，但计划的执行过程一定会提升我们探索系外行星的能力。能够推进光帆探测器到半人马座毗邻星系统的激光阵列，也可能让探测器在几天内飞到太阳系的任何地方，或者在一两周内穿越一片星际介质。这样的能力将可能让太阳系探索常规化，比如让载人飞船能很容易往返地球和火星。倘若此，太空探索是不是会发生翻天覆地的突破？就算只是设想一下，也能望梅止渴。