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走,跟着霍金的神奇计划,寻找三体人的故乡去

时间:2017-08-02 10:19来源:http://36kr.com/p/5086161.html 作者:沈星佑 点击:
霍金发起的外太空探索计划,我也贡献了一点点力量 编者按:本文来自微信公众号 “爱范儿”(ID:ifanr),作者沈星佑。 世界上最小的航天器有多小? 长 3.5cm,宽 3.5cm,重量仅为 4g。 图片来自 twitter @Breakthrough 这个世界上最小的航天器名为「精灵(Sprites)」
霍金发起的外太空探索计划,我也贡献了一点点力量

走,跟着霍金的神奇计划,寻找三体人的故乡去


编者按:本文来自微信公众号“爱范儿”(ID:ifanr),作者沈星佑。

世界上最小的航天器有多小?

长 3.5cm,宽 3.5cm,重量仅为 4g。

走,跟着霍金的神奇计划,寻找三体人的故乡去

图片来自 twitter @Breakthrough

这个世界上最小的航天器名为「精灵(Sprites)」,虽然只有邮票大,但包含了太阳能板、微型控制系统、陀螺仪、磁力计、天线等,运转功率为 100 毫瓦,是目前世界上最小的全功能空间探测器。6 月 23 日发射升空的「精灵」,已于 7 月底进入近地轨道。

微型航天器的星际旅行目的地,是三体人的家乡

「精灵」是著名地外生命探索组织 「突破计划」(Breakthrough Initiatives) 的一个项目成果。2016 年,由史蒂芬 · 霍金宣布「突破计划」启动一个新的外星生命探索项目,名为「突破摄星」(Breakthrough Starshot),计划向距离我们最近的恒星系半人马座阿尔法星(Alpha Centauri,又称南门二)发射大量的微型星际航天器。

而微型航天器「精灵」进入近地轨道,是该项目的一个突破性进展。

走,跟着霍金的神奇计划,寻找三体人的故乡去

半人马座阿尔法星系中的两颗恒星,右上角为太阳系,图片由 L. Calçada/Nick Risinger 制作

半人马座阿尔法星系统包括三颗恒星,其中一颗恒星——比邻星,是距离太阳系最近的恒星。电影《阿凡达》的故事,就发生在半人马座阿尔法星系的潘多拉星球中,2154 年人类已经能够前往那里开采稀有矿产了。在刘慈欣的科幻小说《三体》里,半人马座阿尔法星也是三体人的故乡。

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电影《阿凡达》中,半人马座阿尔法星系的生命可能长这样?

半人马座的比邻星距离太阳约 4.22 光年,没错,这就是太阳系与另一颗恒星最近的距离。微型航天器发射后,最终以光速 20% 的速度,也就是 59546 km/s 的速度飞行,并进行长达 20 年的星际旅行才能到达半人马座阿尔法星,这个科幻故事经常讲到的地方。

如果计划顺利,航天器将在本世纪内传回那里的相关信息。这是地球上不少太空迷们有生之年的等待。image.png

「突破摄星」原理动画,航天器在太空中穿梭

1977 年发射的 “旅行者 1 号” 探测器,足足用了 35 年时间才飞到太阳系边缘。作为地球上目前走得最远的物体,它的飞行速度相对广袤的宇宙,依然是太慢太慢了。

扎克 · 曼切斯特(Zac Manchester)是负责设计这个航天器的工程师,这个小小的「精灵」,倾注了他将近十年的心血。在 Gizmodo 的采访中,他说:

最初我们要做的就是尽可能缩小航天器的尺寸,但在保证航天器能发挥作用的前提下,它究竟可以变得多小呢?我们面临的一个挑战是,尽可能小的航天器,怎样才能获取足够的能量向地球传回我们所需要的信息。

他还说到,现在的「精灵」只是实验性的航天器原型,他所做的工作也只是这个探索项目的初始工作。

目前已经有 2 个「精灵」进入了近地轨道,被系在拉脱维亚文塔卫星(Venta)和意大利马克斯 · 瓦利尔卫星(Max Valier)旁边。还有 4 个「精灵」在马克斯 · 瓦利尔卫星内,待解决通信故障后就会按原计划放出。

我们距离太空移民有多远?第一个太空国家去年成立,我已经注册会员,申请当部长了。

星际旅行的交通工具,重点是光帆

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「突破摄星」原理动画

这次发射的「精灵」,还不是进行星际旅行飞往半人马座的那一批探测器。因为按照原计划,真正飞往半人马系阿尔法星的微型航天器,会搭载光帆,由地球上一千亿瓦特的激光对光帆进行推进加速,让航天器在两分钟内加速到光速 20%。

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被加速的光帆原理图,图片来自:Breakthrough Initiatives

在大海中航行的帆船,风是动力。在外太空中航行的宇宙飞船,光是动力。帆船的帆,与宇宙飞船的帆,都是利用压差前进。光帆(使用太阳作为光源时可称为太阳帆)依靠光的辐射差前进,只要有光就能继续运作和飞行。因此微型航天器不需要携带燃料升空,能够尽可能缩小自身的体积。

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《星球大战前传》中的光帆宇宙飞船,图片来自:wikia.com

在《星球大战前传:克隆人的进攻》中,杜库伯爵乘坐的星际交通工具就是吉奥诺西斯太阳帆船(Geonosian Solar Sailer)。吉奥诺西斯太阳帆船的外壳打开后,能够张开巨大的太阳帆,通过聚集高能粒子风来产生推进力。在《三体》中,作者也描述了一架能够载人的辐射帆飞船,飞行原理与光帆类似。

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《太阳帆船》插图

更早的光帆科幻故事可以追溯到 1963 年,阿瑟 · 克拉克出版了一本科幻小说《太阳帆船(Sunjammer)》,讲述了这样一个故事:

主人公约翰 · 默顿是一个飞船设计师,参加了一场从地球到月球的太阳帆船比赛。比赛开始后,七艘帆船开始散开,宛如蒲公英一样在太空中飘荡。在漫长的飞行过程中,默顿睡着了,他的「狄安娜」号帆船遭到竞争对手破坏,在最后关头,不得不舍弃帆船,眼看着自己的帆船飞向宇宙深处。

‘他永远不能赢得飞往月球的比赛了,但他的帆船却将是飞行在星际漫长航程上的第一艘人造太阳帆船。’

光帆早已从科幻成为现实,但「突破摄星」计划中的光帆需要在布满灰尘、气体、宇宙射线的星际介质中,连续飞行至少 4 个光年,依然保持完整和运作正常,这依然是个巨大的挑战。历史上已经有不少光帆宇宙飞船失败的案例,包括宇宙 1 号、光帆 - A(LightSail-A)等。image.png

「伊卡洛斯」号的太阳帆,图片来自:日本宇宙航空研究开发机构

目前成功发射的光帆航天器是日本 2010 年的「伊卡洛斯」号,其光帆对角线长度为 20 米,由聚酰亚胺树脂材料制成,厚度为 0.0075 毫米。它在飞行中通过保持旋转,利用离心力使帆保持张开,并于 2011 年完成了利用太阳光实现加速、修正轨道等多个实验项目。

去年 4 月 13 日,霍金在启动「突破摄星」计划时说:

爱因斯坦曾经幻想在宇宙中乘着一道光线飞驰,这个思想实验为他的狭义相对论奠定了基础。一个多世纪后,我们有机会可以达到光速的一小部分:一亿英里每小时。只有通过这么快的速度,我们才有希望在人类的时间尺度内到达那些恒星。

另一位项目发起人尤里 · 米尔纳(Yuri Milner),俄罗斯投资大鳄、全球投资基金 DST Global 的创始人,则讲到了制作成本,他说:

将来微型航天器能够实现量产,并且单个制造成本相当于一部苹果手机。

此外,马克 · 扎克伯格也是该计划的董事会成员之一。

「突破计划」有个你也能参加的太空探索众包计划

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「突破计划」最初在 2015 年由霍金和尤里牵头成立,在发布会上,霍金向世人宣称,宇宙中一定存在其他生命,我们只是需要花费时间去寻找他们而已。

目前整个计划包括「突破摄星」、「突破聆听」、「突破讯息」、「突破观察」四个项目。

突破摄星(Breakthrough Starshot)

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预想中的半人马座宜居星球图片,图片来自:Breakthrough Initiatives

正如前文所述,此项目计划向半人马座阿尔法星发射微型航天器,让其以五分之一的光速飞行,飞行二十年后向地球发回那里图片。

突破聆听(Breakthrough Listen)

该项目于 2015 年 7 月启动,通过借助全球最大的天文望远镜,北半球的绿岸射电望远镜(Robert C. Byrd Green Bank)和南半球的帕克斯射电望远镜( Parkes Radio Telescope ),联合美国加州力克天文台的行星自动搜寻望远镜,对 100 万颗恒星和 100 个外星系进行探测,并将这三个天文望远镜的数据完全向公众开放。计划将历时 10 年,预算为 1 亿美元。

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外太空探索众包项目「SETI@home」

由于这三个天文望远镜一直在产生海量的数据,该项目还有一个名为 「SETI@home」 的众包项目,地球上能够联网的人群,都可以贡献自己电脑和智能手机的空闲计算能力去协助处理观测数据。

首先注册一个 SETI@home 账户,再下载使用一个名为「BOINC」(the Berkeley Open Infrastructure for Networked Computing)程序,登陆就可以成为参与探索外太空的志愿者,该程序目前有 Windows、Mac 和 Android 三个版本。

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BOINC 有很多众包项目,记得选择「SETI@home」那个

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接着按照提示注册好 SETI@home 账户

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可以设置愿意被 BOINC 占用的计算能力

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开始任务

突破讯息(Breakthrough Message)

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电影《降临》中外星人的沟通方式

这是其中最为特殊的一个项目——一项奖金为 100 万美元的竞赛,鼓励人们探索可以用于星际生命之间对话的表达方式,并讨论往外太空发送消息这个行为的伦理和哲学问题。

我们有什么方式可以直接跟外星人对话?我们是否应该主动向外星人发送消息?在宇宙中,人类是什么角色?在什么位置?要去哪里?…… 在这些问题没有得到广泛讨论和高度结论之前,他们不会往外太空发送任何消息。《三体》的黑暗森林法则也告诉我们,先别贸然暴露自己。

突破观察(Breakthrough Watch)

走,跟着霍金的神奇计划,寻找三体人的故乡去

图片来自:Breakthrough Initiatives

这个项目主要任务是在半人马座和地球 20 光年以内范围内,寻找类地行星,并搜寻它们是否存在氧气和其他生命迹象。

2016 年 8 月,欧洲南方天文台淡红点天文小组(the Pale Red Dot team)在半人马座比邻星周围,发现了一颗类地的行星。经过观测和计算,这颗小行星在比邻星的宜居带内,温度适宜,并且极大可能存在液态水。

可以说,这个项目与「突破摄星」、「突破聆听」紧密相连,因为如果一个星球宜居,那么它必将是微型星际航天器登陆的首要目的地,也是天文望远镜始终对准的目标。

地球以外有数千亿颗行星,银河系以外还有千亿个星系,这是目前我们所知道的宇宙。人类栖身于地球一隅,置身于正在加速膨胀的宇宙,微小如宇宙的尘埃,每日忙碌,往往不会意识到,自己正处在一个惊人和神秘的空间与时空中。走,跟着霍金的神奇计划,寻找三体人的故乡去

2015 年新视野号飞掠冥王星拍下其近照

我们围观过神州 7 号发射的直播,看过新视野号飞行 9 年、50 亿公里拍下的冥王星心形近照,或许在有生之年看到第一张半人马座阿尔法星系星体的近照时,可以笑着说下:霍金发起的那个外太空生命探索计划,我也贡献过一点点力量。



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