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霍金也要找外星人?挑戰開發奈米太空船探訪鄰近恆星

我們不斷地在探究外太空到底有什麼?但是我們的了解始終還只是廣大宇宙中的一小點。我們登陸過月球,但也就只是月球;我們派航海家一號(Voyager 1),從 1977 年發射至今 38 年,也是目前唯一一個抵達太陽系外的太空船。我們對於超越太陽系的區域目前都還是只能依賴各種天文望遠鏡,以及各種觀測技術來了解。

這樣當然無法滿足大家的好奇心!我們都想到達更遠的地方,甚至知道這個宇宙中有沒有跟我們一樣的生命體。

知名物理學家霍金(Stephen Hawking)這一次和俄國富豪尤里.米納爾(Yuri Milner)聯手,宣布一項重大的計畫「突破攝星」(Breakthrough Starshot,亦翻譯為「突破星擊」),他們希望可以挑戰在 20 年內抵達距離太陽 4.37 光年的半人馬座阿爾法星(Alpha Centauri),也是距離我們最近的恆星系統。

NEW YORK, NEW YORK - APRIL 12: Stephen Hawking, CH, CBE, FRS, Dennis Stanton Avery and Sally Tsui Wong-Avery Director of Research, University of Cambridge as he and Yuri Milner host press conference to announce Breakthrough Starshot, a new space exploration initiative, at One World Observatory on April 12, 2016 in New York City. (Photo by Bryan Bedder/Getty Images for Breakthrough Prize Foundation) *** Local Caption *** Stephen Hawking

物理學家霍金。圖/Photo by Bryan Bedder/Getty Images for Breakthrough Prize Foundation)

這個難度在哪裡?以已經航行 38 年的航海家一號為例,直到 2016 年 4 月 13 日為止也才距離太陽 200 億公里,而半人馬座阿爾法星則是距離太陽 41.3 兆公里,足足是航海家一號航行距離的 2000 多倍。即使在航海家一號發射後 38 年的今天,航太科技已有相當的進展,但以現有的科技我們仍需 3 萬年才有辦法抵達半人馬座阿爾法星。

我們都無法想像 3 萬年後人還會不會存在?地球又會變成什麼樣子?霍金和米納爾勢必得提出一個超越現有技術的方法,來達成縮短這原先需要 3 萬年的旅程。米納爾宣布將打造奈米太空船艦隊(nanocrafts),並以光束推動,速度可達光速的 20%,約可達每秒 6 萬公里。

要讓速度變快,必定不是往製造龐然大物來思考,而是越輕薄短小越好。這個奈米太空船中的「靈魂」——星之晶片(StarChip),就希望將奈米太空船的相機、光子推進器、電源供應器、導航、通訊等功能,壓縮到只有幾克重的晶元中。也就是說他們將發展的太空船本體,可能比我們現在使用的手機還要小!而他們不只想做一個奈米太空船,他們希望可以做上百個、上千個,形成一個「奈米太空艦隊」!也是避免這路途險阻,希望至少有一個能真正撐到抵達星系。

但只是把元件縮小還是不等於能夠高速飛行,加上太空船這麼小也無法裝載過多的燃料,那它怎麼能達到光速 20% 的速度?這艘太空船動力的概念,有點像是船上的風帆因為風吹而前進,只是將這個風變成光。在奈米太空船上也有一個比太空船本體大許多的光帆(lightsail),這個帆的長度為公尺規模,預計厚度幾百個原子,重量只有幾公克的規模。光打在這個帆上就能推動奈米太空船前進,但為了要給這艘船更大的前進動能,團隊將使用雷射光陣列,給予太空船千億瓦的功率(相當於推動一個太空梭離開地球的功率!)

NEW YORK, NEW YORK - APRIL 12: Yuri Milner, Breakthrough Prize and DST Global Founder, demonstrates a new chip on stage as Yuri Milner and Stephen Hawking host press conference to announce Breakthrough Starshot, a new space exploration initiative, at One World Observatory on April 12, 2016 in New York City. (Photo by Bryan Bedder/Getty Images for Breakthrough Prize Foundation) *** Local Caption *** Yuri Milner

米納爾展示奈米太空船的晶片預期尺寸,並沒有比一個郵票大多少。圖/Photo by Bryan Bedder/Getty Images for Breakthrough Prize Foundation

霍金構想的重重阻礙

好吧!聽起來很完美的計畫,仍只是計畫。團隊也面臨了許多技術上的困難,成為這個前往另一個星系路上大大小小的阻礙石頭。

困難一:雷射光發射陣列建在哪?

團隊的構想是需要在陸地建造大規模的雷射光發射陣列,整個陣列可能綿延幾公里,但需要建設在高海拔且乾燥的地區,僅僅是地點的選擇就是個大問題。

困難二:千億瓦的能量怎麼來?

雖然預計是用雷射光陣列產生千億瓦的能量,但這個想法在執行層面上仍有許多困難,包括如何確保在每一次要發射太空船的時候,都能產生和儲存這麼龐大的能量,都是需要面對的難題。

困難三:將奈米太空船帶到軌道的航空母艦

這個計畫需要先將奈米太空船帶到外太空的軌道上,雷射再由地面發射,這就表示還需要一個「航空母艦」將這一個或這些奈米太空船帶上去並釋放出來,團隊希望可以作上千個奈米太空船,這又是另外一個困難點了……。

困難四:即時調適光學

雷射光經過大氣層會受大氣擾動影響,如何將現在用於提升望遠鏡解析度的「調適光學」,來幫助光帆即時調整接收到的光波,讓它獲得最佳的動能,也是團隊正在思考的問題。

困難五:雷射光陣列如何對準光帆

在地面上的雷射光陣列得在同一時間對準同一個光帆發射雷射光,並且還要使這個太空船加速到目標速度。一旦射偏或是雷射沒有同時啟動等因素,就可能導致太空船偏離航道,或是無法順利加速,這些原因都可能導致任務失敗。

困難六:航行路上遇到塵埃怎麼辦

先假設發射過程一切順利,但這個輕巧沒有太多保護措施的奈米太空船,將獨自在宇宙中長時間飛行。即使這個路線已經避開了已知的星體撞擊的機會,但沒有辦法預料的宇宙塵埃撞擊對這個小太空船都是危機。

困難七:資料能否順利傳輸回地球

如果順利到達半人馬座阿爾法星,奈米太空船將開始執行任務,包括拍照、偵測等等,而這些資料又是否能順利傳回地球呢?

困難八:用雷射光陣列接收回傳訊號

奈米太空船蒐集到的訊號,得經過 4 年多才能回傳到地球,而這時我們要怎麼接收這個訊號?目前團隊是希望透過發射時使用的雷射光陣列,來接收這個回傳的訊號,但能否成功仍是問題。

 

即使大多是應用已經存在或是預期可以達成的技術,這個計畫仍面對種種難題,霍金和米納爾聯合臉書創辦人祖柏克(Mark Zuckerberg)將聯手投資一億美元,希望能讓這個任務成真。

若是成真,或許我們找到外星人就不遠了。

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關於作者

趙軒翎

泛科學內容編輯 J 編|在「一日生科,終身科科」的年代,即使鬧家庭革命都堅持要念生科,卻在畢業之際決定走出實驗室找尋新的出路。因緣際會就這麼踏入了科學傳播領域,雖然一路跌跌撞撞,但仍相信自己可以用知識改變這個世界。