半人马座阿尔法或 bust

“这是人类历史上第一次，我们不仅仅是仰望星空，”慈善家和高科技企业家尤里·米尔纳于4月12日宣布。“我们真的可以到达它们。”

米尔纳，一位俄罗斯人，以宇航员尤里·加加林的名字命名，后者在55年前成为首位进入太空并绕地球轨道飞行的人。米尔纳希望实现另一个历史性的首次。在纽约市世贸中心一号顶楼举行的新闻发布会上，他公布了“突破摄星”（Breakthrough Starshot）项目，该项目有一个大胆的目标：在20年内发射一批航天器，在随后的20年内到达距离地球4.37光年的最近恒星系统——半人马座阿尔法星。

米尔纳并非空谈，他拿出自己的钱，投入1亿美元用于研发，以证明这一大胆想法的可行性。实际任务可能还需要100亿美元，但米尔纳在新闻发布会上强调的重点是，只要现有技术取得合理进展，这样的事业就在我们的掌握之中。

他还邀请了一些重量级人物来支持这一计划，包括宇宙学家斯蒂芬·霍金、前宇航员梅·杰米森、哈佛大学天体物理学家阿维·勒布以及美国国家航空航天局艾姆斯研究中心前主任皮特·沃登。“今天，”霍金说，“我们承诺将迈出探索宇宙的下一个伟大一步，因为我们是人类，我们的本性就是飞翔。”

触及星辰

8月24日，智利欧洲南方天文台的天文学家宣布发现了一颗类地行星围绕半人马座阿尔法星系统的三颗恒星之一的比邻星（Proxima Centauri）运行，这为该项目带来了新的动力。“这一宣布为我们的任务提供了更多动力，”沃登说，他于2015年离开NASA成为“摄星”项目的执行董事。“今天，我们比一个月前更能证明‘摄星’计划的可行性。”

尽管米尔纳、沃登及其同事们的热情显而易见，但他们并没有忽视前方巨大的技术挑战。然而，该计划的核心有两个关键理念，使得科幻小说中的星际旅行梦想在科学上变得可行。第一个是限制航天器的大小，使其重量仅为一两克，从而能够达到前所未有的速度。当然，这种策略意味着要抛弃载人，只进行纯机器人任务。第二个理念是也抛弃燃料，仅依靠光来推动航天器。（尽管光子没有质量，但它们仍然可以传递动量。）这种方法有助于实现远超传统化学动力火箭所能达到的速度。

帆船式航天器的基本概念——就像古代的帆船，乘着风穿越海洋——并非新鲜事物。约翰内斯·开普勒在1610年写给伽利略的信中就曾暗示过这种可能性：“驾驭着为天堂之风而造的船只或帆，有些人将冒险进入那浩瀚的虚空。”尽管物理学家和科幻作家罗伯特·福沃德在20世纪60年代进一步发展了这个想法，但它离实际应用还很遥远。

在媒体发布会上，米尔纳列举了近期使星际航行变得可行的关键进展。得益于微电子元件尺寸的急剧减小，研究人员现在可以制造出足够微小的空间探测器，配备摄像头、电源以及导航和通信能力。这些“纳米探测器”将附着在几平方米大小、重几克的超薄帆上。

传统的火箭会将数百到数千个这样的纳米探测器送入太空，并在高地球轨道上释放它们。然后，一个由地面激光阵列组成的、总峰值功率为100吉瓦的系统，分布在智利阿塔卡马沙漠等高海拔干燥地区，将逐个对准每块帆进行照射，持续几分钟。这将使每块晶圆状的探测器加速到光速的20%（约合1.34亿英里/小时），速度比当今最快的航天器快约1000倍。这些微型空间探测器造价低廉，因此具有消耗性；有些可能会因技术故障或太空垃圾碰撞而丢失，而不会危及整个任务。

这听起来可能很疯狂，但这个计划或许可行。正如“摄星”爱好者所声称的那样，星辰可能触手可及——尽管要实现这一目标，仍需要巨大的进步。

从梦想变为现实

那么，这个项目距离实际发射还有多远？在对该项目至关重要的三项技术中，空间探测器是进展最快的一项。在4月份的新闻发布会上，米尔纳展示了一块小晶圆——尺寸不到2平方英寸，重约4克——已经能够满足许多关键规格。这款由哈佛大学研究员扎卡里·曼彻斯特设计的晶圆，约一半是用于发电的太阳能电池，其余部分包括一个小型微处理器、一个无线电收发器、一个磁力计和一个用于导航和定向的陀螺仪。它全部采用现成的组件构建，成本约为25美元。曼彻斯特称之为“世界上最小的卫星，可能也是最便宜的。”

他希望今年晚些时候，在NASA一个教育项目的支持下，将他的100颗卫星送入太空，以测试太空中的无线电通信方法。对于未来的实验，他希望通过摄像头为探测器增加更多功能，并最终尝试激光通信技术。“扎克的这项工作是说服尤里和我相信这可能是一个可行方案的关键因素之一，”沃登说。

然而，这项冒险的其他方面则离实现目标还很远。这包括提出的激光阵列，它由大量（数千甚至数百万个）中等尺寸的地面激光器组成，全部指向数千英里外的天空中的一个微小目标。“没有人曾在我们谈论的规模上做过这样的事情，”加州大学圣巴巴拉分校的物理学家菲利普·卢宾说。但卢宾补充说，不存在根本性的物理障碍，“现在有一条可信的前进道路。”

然而，这是一个棘手的问题。“对于一个占地一到几平方公里的阵列，一侧的激光看到的the atmospheric density与另一侧的激光不同，”哈佛大学天体物理学家詹姆斯·吉洛琼解释道。“我们需要纠正所有这些差异。”此外，吉洛琼指出，照射到帆上的激光必须精确瞄准。“您希望能量在帆上均匀分布，以免其变形。”

这引出了该计划可能面临的首要挑战：制造一块几平方码、足够坚固、轻薄且轻巧的帆。它还必须具有高反射性，并且吸收的入射光不足1/100,000，以免融化。尽管目前还没有任何材料能完全满足所有技术要求，但研究人员在解决问题的各个方面都取得了进展。

星际空间有多远？

被激光束加速后，这些“摄星”探测器将在接下来的20年里滑行，尽管这并非一帆风顺。纳米探测器将在前往半人马座阿尔法星系统的途中面临额外的障碍，主要是尘埃和气体。

普林斯顿大学天体物理学家布鲁斯·德莱恩估计，在旅途中，小型航天器每平方厘米会遭受大约一百万次与尘埃颗粒的碰撞——在这样的速度下，任何一次碰撞都可能是一场灾难。幸运的是，有一些方法可以减轻损害。铍或石墨涂层可以保护电子设备，作为另一项预防措施，研究人员可以通过在纳米探测器脱离地球激光器射程后折叠帆来减少碰撞次数。飞船还可以调整飞行方向，使其侧身飞行，以纤薄的边缘迎向目标，减少被撞击的面积。

沃登希望在未来几年 sponsor 一系列复杂度递增的空间实验。早期实验将涉及太阳帆，仅由太阳光推动，这在以前已经实现过。其他实验将涉及用激光推动帆，这尚未完成。“我们希望做的事情有很多，”沃登说，“我们会随着时间的推移逐步进行。”

沿途的风景

沿途将有很多值得一看的景象。沃登说，这个项目并非只专注于一个目的地——半人马座阿尔法星的恒星——“它实际上是一次旅程。”

勒布说，我们将从探索我们自己的“后院”——太阳系开始，然后继续前进。他领导着“摄星”咨询委员会。毕竟，他指出，这些微型探测器“可以在三天内到达冥王星，而不是“新视野号”耗费的9.5年。”他说，我们可以牺牲一些探测器，将它们“非常接近我们感兴趣的目标。例如，我们可以飞越（土卫二的）羽流，看看是否能检测到生命的指纹。”探测器还可以飞越土星环或其他恶劣环境。

吉洛琼说：“通过廉价、快速的航天器，我们可以向小行星带的每一个小行星，或者外太阳系中的每一个类冥王星天体发送一个。有了这些随时可以发射的小型飞行器，我们可以进行数百次任务，每一次都是前往一个全新的、前所未见的星球。”说到新的星球，他说：“如果第九行星存在，这将是快速到达那里的方法之一。”

这类任务没有设定的时间表，但如果一切按计划进行，在太阳系内进行20年的练习后，科学家们最终可能会准备好进行第一次系外目标——半人马座阿尔法星系统。它有三颗独立的恒星可供探测。比邻星（Proxima Centauri）是最近的，另外两颗，半人马座阿尔法星A和B，在质量和亮度上与我们的太阳相似。

探测器到达那里时可能会看到什么？比邻星的行星，被称为比邻星b（Proxima b），是一个显而易见的目标。这颗质量与地球相当的岩石行星围绕着其昏暗的恒星进行近距离轨道运行，位于其“宜居带”内。其表面可能存在液态水，因此也可能存在生命。在半人马座阿尔法星B附近，也有未经证实的行星观测。

与此同时，科罗拉多大学天体物理学家韦伯斯特·凯什正在尝试一种创新的技术来直接观测这些行星。凯什曾参加过4月份的“摄星”研讨会，他正在将亚利桑那州基特峰天文台望远镜的光线反射到一个1.5英里外的较小的二次望远镜上。在这两者之间，他放置了一个称为“星影”（starshade）的屏幕，以阻挡测试恒星的光，从而探测围绕它运行的更暗的行星。

他说：“‘摄星’任务有助于激励我们这些想寻找行星的人；如果我们找到行星，那将极大地激励这项任务。这就是整个想法——让一切都向前发展。”

因此，除非有任何挫折，否则第一艘“摄星”航天器有望在2056年左右接近半人马座阿尔法星系统。它将继续飞行，没有任何减速的手段。理想情况下，探测器的仪器将收集关于新发现行星的信息，并利用帆作为天线将信息中继回地球。即使以光速旅行，这些数据也需要四年多的时间才能到达，这是任何技术都无法缩短的等待。

这无疑是一项雄心勃勃的事业，成功并非板上钉钉——但就太空旅行而言，何时有过这样的保证？沃登说：“我们现在的情况有点像40年前的引力波探测器。人们不知道我们是否能做到。这花了数十年时间，但他们逐渐做到了。”

他希望“摄星”项目也能如此。这并非第一次伟大的飞跃始于看似微小的一步。