隨著科學技術的發展,人類對自然世界和宇宙空間的認知水平逐步提升,為了更有針對性、更加系統和直接地了解地外空間的環境狀態及其演化規律,科學家從上世紀50年代起就開啟了向太空發射探測器的序幕,其中以探測地外生命的存在基礎和生命形態為主要內容的宇宙生命科學工程,成為眾多太空探測器的重點任務之一。
在地面大型射電望遠鏡和環繞地球運行的太空望遠鏡觀測的基礎上,科學家們發現了越來越多有可能具備生命特徵的行星,那麼,如果這些發射升空的探測器,以最快的速度運行,能夠多久可以抵達到「超級地球」呢?
目前飛行速度最快的探測器
如果從地球表面運行的飛行器來看,目前速度最快的為美國宇航局研製的X-43A飛機,其飛行速度為11200公裡/小時,約合3.1公裡/秒,相當於音速的9.2倍,環繞地球赤道一周需要3.6個小時,在地球上這個速度已經相當快了,但是如果這個速度應用到航天領域,則基本上連龜速都談不上。
比以上速度高一點的就是太空梭了,比如美國哥倫比亞號的飛行速度能達到7.6公裡/秒,發現號達到7.8公裡/秒,阿波羅10號可以達到10.7公裡/秒,這表明太空梭一旦脫離地球大氣層環境,就可以擁有比地面飛行高出很多倍的飛行速度。
再比以上速度高的人造飛行器,就當屬太空探測器了。比如前不久我國發射的火星探測器-天問一號,其飛行速度為11.2公裡/秒;美國2006年發射的用於探測冥王星的新視野號,飛行速度能達到16公裡/秒;用於探測太陽系氣態行星(重點是木星、土星及其衛星)的旅行者1號,在完成使命之後依靠慣性曳繼續向太陽系外圍行進,目前行進速度可以達到17公裡/秒,成為距離地球最遠的探測器。
比上述探測器運行速度還高的,就是幾顆太陽探測器了,比如1974年美國發射的太陽神1號探測器,在近日點的最高速度可以達到60公裡/秒;1976年發射的太陽神2號探測器,近日點時的飛行速度達到70公裡/秒;2018年美國發射的帕克探測器,在近日點時的瞬時最高速度達到了192.2公裡/秒,成為人類歷史上發射的所有太空探測器中,飛行速度最快的一顆。
距離地球最近的「超級地球」
科學家們根據地球生命形式的基本特徵以及所需的必要環境,歸納出了碳基生命在宇宙空間中存在的基礎條件,即:固態星體、合適的引力環境、適宜的溫度區間、有液態水、存在密度適宜的大氣層、有適宜的氧氣環境、擁有磁場等等。
那麼,假如在宇宙空間中,存在著一顆行星(或者衛星),其體積和質量與地球相近、處在一個主序期恆星系的宜居帶內、擁有大氣層條件,而且地表擁有和地球相似的板塊構造,比如分布著山脈、峽谷、隕石坑、活火山等,在理論上就有一定的機率,在該星體上有碳基生命形成和發展所具備的光照、溫度、氣體和磁場環境,這樣的星體科學家們將其命名為「超級地球」。
截至目前,科學家們在銀河系中,發現了數量眾多的可能存在生命形式的「超級地球」,距離比較近的這裡列舉幾個:
2019年,在長蛇座發現了GJ357d行星,質量約是地球的6倍,距離地球31光年;
2014年,在天秤座發現了Gliese 581d行星,質量約是地球的3倍,距離地球20光年;
2018年,在蛇夫座發現了巴納德b行星,質量約是地球的0.2倍,距離地球6光年;
2016年,在半人馬座發現了比鄰星b行星,質量約是地球的1.3倍,距離地球4.22光年,是迄今為止發現的距離地球最近的處於宜居帶內的行星。
到達「超級地球」需要多久?
通過以上的介紹,那麼如果人類目前製造出的最快飛行器,到達地外的「超級地球」需要多久,理論上就是一個簡單的數學運算了。
1光年的距離是光在真空中行進1年的距離,其值約為9.46萬億公裡。拿帕克太陽探測器來說,以其近日點的最快運行速度192公裡/秒,那麼到達6光年外的巴納德b行星,至少需要9370年。如果用現在距離地球最近的旅行者1號17公裡/秒來計算,那麼所花費的時間更長,至少需要10.58萬年。
當然,這些探測器在行進的過程中,並不可能永遠處於最高的速度。在通過火箭將它們發射升空時,一般都是藉助化學燃料的燃燒噴射出去的氣體形成反推力,使其達到第一宇宙速度,然後再利用慣性行進,在此過程中,利用探測器所攜帶的放射同位素電源和太陽能電池提供的有限電能,維持探測器的姿態調整以及儀器設備正常工作,並不會對探測器的行進速度產生多大影響。
理論上以化學燃料進行推進的速度是有極限的,其「天花板」速度為25公裡/秒。之所以有一些探測器可以超過這個速度,主要是利用了巨大天體的引力彈弓效應進行加速,或者在環繞巨型天體時,在橢圓軌道的近焦點處受到的引力加速效應。比如旅行者1號目前達到17公裡每秒的速度,還是建立在利用了木星、土星的二次引力彈弓的加速才達到的。而帕克太陽探測器,只有在近日點處才能達到192公裡每秒的速度。
所以,進行深空探測或者星際航行,在現有技術條件沒有突破的前提下,1光年的距離無人探測器都得好幾千年才能到達,載人探測更是遙不可及。必須依靠更具突破性、變革性的能源技術、推進技術甚至設想中的曲率引擎技術,才有可能實現深空的「自由穿梭」。