史上最快的人造物體：4克太空飛行器被加速到20%光速，通信一次需8年

2020-08-11 宇宙印象

編者按：從經濟角度看，前往半人馬座阿爾法星的探測器最佳動力選擇是雷射帆加速，在地球上建立一個雷射裝置，精確打到雷射帆上，理論上可以將一個4克重的雷射帆探測器加速到20%的光速。

宇宙印象｜頭條獨家 深度科普欄目第1310期

霍金提出的突破攝星計劃已提出4年了，如今進展如何？我們不妨來看看。該計劃的目標是向距離太陽系最近的半人馬座阿爾法星（Alpha Centauri）系統發送一個探測器（群），可能是多個微型太空飛行器，也可能是一個，通過使用光帆和定向能量（雷射）陣列來驅動。根據科學家的估算，一個小型太空飛行器通過這兩個技術配合可以加速到光速20％，這樣我們就能夠在20年內抵達距離我們最近的恆星系統。

圖片解讀：突破攝星採用兩個技術：大型帆面和雷射推進

圖片解讀：恆星之間的通訊技術受到距離上的限制，我們與4光年外的太空飛行器通訊，一個來回就要8年以上

20年對於一個人的一生而言是可預期的，如果按照傳統的太空飛行器速度，需要數萬年才行。突破攝星計劃目前分為兩個部分，第一部分是太空飛行器系統，微型太空飛行器需要光帆；第二部分是通信，負責這一塊的是Kevin LG Parkin博士。我們要向和正在以20%光速飛行的太空飛行器進行通信，難度可想而知。

雖然太空飛行器的研發遇到了困難，但通信問題則是更大的挑戰，目前的方案是建立一個直徑4.1的雷射發射器，一旦太空飛行器抵達4光年外的半人馬座阿爾法星後，可向地球傳遞信息。這個陣列將嵌入在船帆中，該陣列將以1.02微米的波長向地球上的射電望遠鏡傳輸數據。雷射鏈路是目標星際之間建立通信的最佳方法之一，該技術目前也應用在衛星間雷射通信上。雷射的特點是利用波長短的光作為載體，可減少天線直徑，安裝在太空飛行器上的雷射通信帆開展後為4.1米，極高頻率可提升通信容量。


圖片解讀：雷射帆推進需要精確雷射發射裝置精確指向帆面

2013年，美國宇航局利用月球探測器演示了雷射通信技術，即便是遠在38萬公裡之外也能達到622兆每秒的傳輸速度。如果將這個技術用在前往半人馬座阿爾法星的探測器上，可建立與地球之間緊密而持續的光束鏈路。但這個方法有個問題，需要非常精確地指向地球才行，如果指向歪了，那麼雷射通信鏈路也建立不起來。要讓半人馬座阿爾法星的探測器找到地球，就需要先定位好太陽的位置，從4光年外之外看太陽和地球，兩者之間的視差非常非常小，束寬僅為太陽到地球的距離的十分之一。因此探測器需要先定位好太陽的位置，然後根據地球的相對位置找到地球，最終將雷射精確指向地球。

從經濟角度看，前往半人馬座阿爾法星的探測器最佳動力選擇是雷射帆加速，在地球上建立一個雷射裝置，精確打到雷射帆上，理論上可以將一個4克重的雷射帆探測器加速到20%的光速。持續20年的雷射加速電力成本大約為600萬美元。科學家還設想了在下行鏈路上設置多個中繼探測器，可減少丟失重要數據的風險。


圖片解讀：雷射帆是目前能將4克探測器加速到20%光速的方法

如果所有的技術都攻克，我們還面臨一個不可能解決的問題：雙向光信號信息一個來回需要8.48年，宇宙中最快的就是光速，4.24光年外的探測器也需要8年多的時間才能進行一次有反饋的通信。從理論上看，我們花20年抵達半人馬座阿爾法星，傳遞會信號需要4年，最快我們在啟航之後的24年才能看到半人馬座阿爾法星的圖像。如果我們要調整一下觀測半人馬座阿爾發星的攝像頭角度，就再等8年。宇宙印象為今日頭條獨家，其他均為假冒，轉載均為非法

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