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接近光速航天器：光帆
依靠光束驱动的微型航天器，有望让人类在一代人的有生之年抵达另一个恒星系统。
最近，科学家确认岩质系外行星LHS 1140b拥有大气层，这在天文学界掀起了一轮研究热潮。这颗行星围绕母恒星运行，轨道恰好落在宜居带内；它的母星是一颗红矮星，距离地球约48光年。
宜居带指恒星周边的一片区域，该区域温度适宜，行星表面的水能够以液态形式存在。天文学家探测到LHS 1140b高层大气正在流失氦气。不过水这类对生命至关重要的重化合物，或许可以存在于大气层的更低位置。
借助望远镜观测遥远系外行星为科学打开了全新的窗口，但人类是否有机会飞往这些星球，开展近距离实地观测？直到现在，这件事大多还只存在于科幻作品之中。不过新兴技术让我们可以畅想：未来几十年，这类星际任务或将成为现实。
被富氦大气层包裹的系外行星LHS 1140b
这是一幅艺术想象图，前景为系外行星LHS 1140b，星球被富氦大气层包裹。图片来源：梅利莎·魏斯 / 哈佛‑史密松天体物理中心
用于星际探索的微型航天器
微型航天器在星际航行领域备受关注。很大一部分原因在于：和大型飞行器相比，小型航天器更容易、成本更低就可以被加速飞往其他恒星系统，并且能在人的一生时间内抵达目的地。
传感器微型化技术已经取得巨大进步，智能手机技术就是典型例子：如今手机普遍搭载重量轻、功耗低、体积小但性能强大的摄像头。研究人员甚至开发出了“智能尘埃”传感器，尺寸达到毫米级甚至更小，可以检测光线、温度或是化学物质。
这种空间探测器需要一套推进系统，能够将它加速到接近相对论速度，即光速的10%‑20%。经过数十年的飞行后，探测器上的传感器会掠过目标恒星系统，不会减速停靠，完成实地探测，再以极慢的速度把数据传回地球。
光帆有望抵达邻近恒星
这虽然还达不到《星际迷航》的科技水平，但属于具备可行性的构想，能够帮助我们近距离研究邻近恒星及其行星。“突破摄星”是一家依靠慈善资金支持的项目，已经在积极研究该方案。该项目探究使用小型探测器开展星际航行所需的各项关键技术。
光帆被视作这类任务最合适的推进方式之一。顾名思义，光帆是一层轻薄的反射薄膜。
展开后的太阳帆
美国国家航空航天局兰利研究中心的工程师正在检查一面太阳帆。完全展开后，帆面单边长约30英尺（约9米）。图片来源：NASA
开展星际航行时，可以使用定向激光能量推动航天器前进。光子是光的能量量子载体，既携带能量，也携带动量。因此，当光线照射镜面发生反射时，就会对镜面产生光压。
激光可将探测器加速至相对论速度
大多数情况下，光产生的压力微乎其微，几乎无法感知。但如果光束强度足够高，同时反射薄膜的重量极轻，光压就可以成为航天器的推进动力。
想要把光帆加速到相对论速度，就需要功率高达数十吉瓦的大型激光装置。它不会是一台单一设备，而很可能是由多台独立激光器组成阵列，设备之间保持同步，生成一束相干光束。
依靠这套激光装置推动数米跨度的反射光帆，短短几分钟之内就可以把光帆提升至巡航速度。
光束动力飞行的前景与局限
光束动力推进系统的优势在于：激光发射装置留在原地，只需要把小型有效载荷加速飞向恒星。与之对比，传统火箭必须携带自身燃料，对于这种超高能量的星际任务来说，这是一个非常致命的短板。
光束动力推进的短板在于，探测器很难实现减速制动。探测器只会用短短几天时间掠过目标恒星系统。
依靠吉瓦级激光驱动光帆，项目规模极其庞大，目前看起来还有很大技术难度。但微型化技术的进步，或许会让智能微型传感器节点成为人类第一批星际航行者。
或许未来，我们的星际探测器会搭载人工智能，在数十年航程中处于休眠状态；抵达目标后，AI被唤醒，短短几天内高强度开展探测工作，作为人类的机器使者，第一次一睹外星世界的真容。
太阳帆已经投入实际飞行
除了用吉瓦级激光驱动光帆，反射薄膜也可以利用太阳光的光压获得推力，也就是太阳帆。太阳帆的构想由来已久，20世纪20年代，航天领域两位俄罗斯先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基与弗里德里希·灿德尔就率先提出该设想。齐奥尔科夫斯基曾撰文描述使用“由极薄材料制成的巨型反射镜”。
激光驱动的光帆尚属于未来科技，太阳帆却已经走进现实。目前已经有多面小型太阳帆发射进入地球轨道，用于技术验证。把太阳帆技术放大，用于深空任务，将会为太阳系探索带来全新工具。
无工质任务：奔赴彗星乃至更远深空
首先，太阳帆无需携带推进剂，能够执行高能量、长周期任务，其中一部分任务依靠传统航天器几乎无法实现。例如，要与运行在高偏心率、大倾角轨道上的长周期彗星实现交会，需要消耗巨大能量。
想要从这类彗星表面采集样本送回地球，难度会进一步提升。对于传统火箭推进，航天器需要携带返回所需的全部燃料，一路飞到彗星目标处。
而对于太阳帆，从彗星返回地球的难度，和飞往彗星相差不大。太阳帆可以调整帆的姿态实现“抢风航行”：倾斜帆面获得动量，从而远离太阳螺旋飞行；翻转帆面损失动量，就可以螺旋向内飞向太阳。
从太阳系迈向外星世界
太阳帆还可以借助光压抵消引力，沿着非常规轨道飞行。举个例子，太阳帆可以悬浮在地球两极上空的高空保持相对静止。
太阳帆与光帆是承前启后的技术阶梯：连接当下与未来，连接太阳系探索与遥远恒星的探索。或许在未来某一天，光帆探测器会造访系外行星LHS 1140b。
本文作者科林·麦金尼斯的研究经费来自英国皇家工程院、欧洲研究委员会以及高级研究与发明局。
本文改编自《对话》网站的原创文章。
https://scitechdaily.com/humanity-may-soon-have-the-technology-to-reach-other-star-systems/
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