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星际旅行:穿越宇宙真空

2017-01-12 准鸟网 >>麦子 NASA中文

从某种意义上来说,人类迈向星际空间的旅程已经开始了。NASA的旅行者一号(Voyager 1) 已穿过太阳系的磁泡区,接触到了星际风。旅行者二号(Voyager 2)也紧随其后。新视野号(New Horizon)拍到了冥王星的照片,继续飞向更遥远的位于太阳系边缘碎石堆般的小行星群。

在更靠近地球家园的地方,我们正在研究能帮助我们跨越更遥远距离的技术。未来火星之旅或深空之旅中也许会出现宇航员吃着长在国际空间站(International Space Station)里的长叶生菜这样的场景。

目前来看,把人类送向其他恒星的想法仍然稳稳停留在科幻的范畴内——就像新电影《太空旅客》里描绘的,在电影里冬眠的旅行者在飞行途中醒来。但是NASA目前还没有公布任何太阳系外的新任务,科学家和工程师都在竭力研究有朝一日能将我们带出太阳系的技术。

NASA的火星之旅计划目标是通过机器人任务把人类送上红色星球,这将有助于打好基础。

“推进力,能量,生命支持,生产,沟通,导航,机器人:火星之旅迫使我们在这些领域取得突破,”NASA位于华盛顿的航天技术任务局(Space Technology Missions Directorate)总工程师Jeffrey Sheehy说,“那些系统还没有先进到完成一次星际任务。但是火星能把我们带入更远的太空。这是走向群星的一步。“

好奇号火星车(Curiosity the Mars rover)在莫瑞孤峰群(Murray Buttes)自拍。NASA的火星之旅目标是通过机器人任务把人类送上红色星球,这将有助于打好基础。

Credits: NASA/JPL-Caltech/MSSS

绘制未知

按电影《太空旅客》那样把我们自己扔向最近的比邻星(Proxima Centauri)需要穿越几乎无法想象的遥远距离。我们需要真正的外来技术,例如假死(suspended animation)或多世代生命支持系统(multi-generational life support)。这让有人旅行至少在短期内变得遥不可及。

但是机器人星际探索器的可能性逐渐获得更高关注。星际探索器的先驱们说过,辐射,能量,行星间充斥着粒子的空间——所谓的星际介质(interstellar medium)——已是极有价值的科学研究目的地。

”我们需要更多探险者,需要把更多区域探索器投放到这块地区,这样我们才能更好地理解太阳与星际介质间的情况,“NASA位于加州帕萨迪纳的喷气推进研究室(Jet Propulsion Laboratory)的工程学研究员Leon Alkalai说,他也是2015年一篇关于星际空间探索报告的合作者。“就像古时候的水手一样,我们需要开始绘制地图。”

Alkalai的报告,《科学与实现星际介质探索的可应用技术》(Science and Enabling Technologies for the Exploration of the Interstellar Medium),描绘了已知和未知的大片区域,从黑暗,遥远,遍布小行星的柯伊伯带到“弓形波”(bow shock)——区分太阳的离子泡(bubble of plasma)和星际风的波状转换。以30多位专家在凯克空间研究所(Keck Institute for Spacce)两次讨论研究的成果为基础,该报告提出了关于这片浩瀚宇宙的结构,构成和能量流动的现实问题。同时它也描绘了在现有技术条件下关于可行的星际探测器的最具体的一幅景象。

一幅关于星际介质的插画。太阳引力望远镜(solar gravity lens)标记了一个概念飞船在星际空间的位置,它可以借助太阳作为巨大的透镜,放大拉进观察绕着其他恒星旋转的行星。

Credits: Charles Carter/Keck Institute for Space Studies

报告还关注了设计参考任务(Design Reference Mission),科学家开始研究梳理星际探测器的技术指标,作为概念性的发起点。最终的概念探测器需要满足“大胆,有挑战性,能激发公众热情”,并且能作为”探索另一颗恒星的理性的第一步“,报告中如此描述道。这是可以回溯到上世纪70年代,NASA科学家开始研究星际探测器概念以来最新的成果。

在这个概念性的场景中,子弹形状外罩下的碟状探测器作为空间发射系统(Space Launch System, SLS),NASA下一代大型火箭,的负载于21世纪20年代后半叶发射升空。借助地球,木星和太阳的引力推动,探测器能在10年内抵达星际空间。相比之下,旅行者一号花了36年才抵达日球顶层(heliopause),也被称为星际空间的边界。

探测器通过下一代的同位素温差发电机(radioisotope thermoelectric generators)提供的电能和火箭驱动,增强版本的同类发电机已搭载在好奇号火星探测器上。探测器会搭载不同种类的传感器和一个通信天线。它能够研究星际介质和它们与太阳系的边界,或许还能飞经一个位于太阳系中位于冥王星以外轨道的未知空间轨道的柯伊伯带星体。

今后的研究还会关注探测器使用电力,或太阳帆或电动帆推进的可能性。

阿波罗八号(Apollo 8),第一个载人月球任务,于1968年12月24日圣诞夜进入月球轨道。当晚,宇航员在月球轨道上通过直播展现了从飞行器上拍到的地球和月球的场景。未来可能实现的技术,例如太阳引力透镜,能让我们更清晰看到其他世界的细节,例如大陆和海洋,就像图中的地球一样。

Credits: NASA

太阳引力:另一个世界的窗户

一个在报告详细描述的概念飞行器同样能够飞出太阳系,但它的飞行目的地仅限于此。任务的焦点,字面意义上的焦点,就是在外星世界上。

这个概念飞行器会停留在靠近星际空间的位置,借助太阳作为巨大的透镜,以便放大拉近观察绕着其他恒星旋转的行星。这个太空望远镜会飞到冥王星以外更远的位置,约为日地距离的550倍,或者更远。它将利用爱因斯坦所描绘的一种效应:引力会弯曲光线。

遥远恒星和它的行星所发出的光会在太阳的边缘弯曲,就像水流过一块石头那样,在另一侧的某个焦点交汇——在那里它们会被放大。望远镜所处的位置正好能捕捉到这些影像。

这些图像会形成一个围绕太阳的环形,称为爱因斯坦环(Einstein ring),技术上的挑战将非常严峻:放大失真的图片需要被处理,碎片化的图片需要拼合起来。但是一旦成功,这个透镜将足以展现一颗围绕着其他恒星的系外行星的表面细节。

“这几乎就像从月球上看到地球升起的画面一样,”Alkalai说,回忆起1968年阿波罗八号宇航员发回的标志性图像,“你能看到云层,大陆和海洋,那种尺度的图片。从地球上看,每个系外行星的影像都只是一个像素,所以你就像通过吸管看系外行星一样。如果你想看到系外行星上的大陆,你需要太阳引力透镜这样的东西。”

一旦我们准备好向另一个恒星前进,推进力的问题就成为了核心。携带大量燃料罐会把星际探测器的重量增加到不可承受的范围。

但是Sheehy说,即使达到十分之一光速就能让星际探测器在50年里到达最近的恒星。

“我们永远不可能通过化学反应加速到那样的速度,”他说,现代火箭即是如此。

Sheehy说,一个答案可能已近在眼前,包括“定向能量”(beamed energy)。一个位于地球表面或轨道上的激光阵列,能让装备了激光帆的太空探测器加速到光速的哪怕几分之一。NASA的创新先进概念计划(Innovative Advanced Concepts Program, NIAC)最近选择了一个由加州大学圣巴巴拉分校的Philip Lubin领衔的类似项目,为其今后的研究投入了第二笔资金。

NIAC最近还为一个概念项目提供了资金,也许会让《太空旅客》的影迷感到安心。这个被称为“通过诱导冬眠进入静止状态实现栖息地向火星转移技术”(Advanced Torpor Inducing Transfer Habitats for Human Stasis to Mars)的研究结果由亚特兰大太空工作室(Space Works Inc.)的John Bradford提出,研究了如何在地球到火星的旅程之中让宇航员降低新陈代谢速率进入深度睡眠状态。尽管并不是真的假死状态或为星际旅行设计,这样的项目显示了把脆弱的人体送到星际空间时所面临的极度困难的技术难题。

第一朵在国际空间站植物种植系统(Veggie plant growth system)中开花的百日菊。在太空中种植食物是尝试星际旅行前人类需要面对的一项挑战。

Credits: NASA

打印披萨

如果人类这个种族要尝试这种长达几十年甚至几世纪的旅行,也许需要某种暂停与恢复生命机能的能力,或者能维持几代人类生命的飞行器。

“发射舱里的人类不是最终到达半人马座阿尔法星(Alpha Centauri)的人类,”Sheehy说,“可能是他们的孩子。但是这80年里他们也要吃东西啊。”

Sheehy说,研究在太空中种植粮食也许能帮上忙,尽管在太空中用种子种植植物需要“太空大房地产商的实力才行。一整株番茄太大了,生菜的大小还可以。”

另一个可能的解决方案是3D打印机,“它能一层层打印3D物体。为什么不能这样打印分子?为什么不能打印食物?你能打印一张披萨么?”

Alkalai还认为人类的星际旅程会是一个极度遥远的愿望。

“把人类送到星际空间的概念离我们太远了,相当于人类需要拥有一个星球体量的资源,”他说,“我唯一喜欢的有些许科学基础的科幻故事不是造一艘星际迷航里的企业号,而是真的俘获一颗小行星。

“想象一下一个可以拥有双子星(binary asteroid)的那代人。他们可以利用其中一颗把另一颗甩到星际空间。然后你在小行星上有所需的资源,铁,碳,其他材料。他们能开采,作为生存与获取能量的方式。你需要想象一个为好几代人设计的情景。”

但Sheehy说,即使是向行星发送机器人探索器这样的艰巨任务也是鼓舞人心的,而不应该觉得沮丧。

“作为人类,我们去过的任何地方,我们总能学到一些东西,即使我们只是越过了一座山的距离,”他说,“许多次,在这样的旅程里,我们能更好地了解自己。我们总会有一些惊喜的发现。”(编辑:Tony Greicius 翻译:麦子 校核:柯宁

延伸阅读:

一:来自星际空间的声音,旅行者1号遭遇的三次“海啸波”!

二:新视野号探测器首次新闻发布会

三:新视野号探测器第二次新闻发布会

四:Scott Kelly在空间站的一年

五:茫茫宇宙,如见比邻:发现4光年外的类地行星!

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