星际旅行的作弊指南：与斯拉瓦·图里舍夫的对话

科幻小说是一种致力于“在学会走路之前就学会奔跑”这一概念的类型。早在人们知道比空气重的飞行是否可能之前，作家们就已经在想象前往其他行星的旅行了。到了 20 世纪 60 年代，当行星际空间探测器成为现实时，讲故事的人们早已转向思考星际旅行。

如今，两三代快乐的书呆子在充斥着片头带有“星”字的科幻电视节目和电影的世界里长大。因此，当我们听到天文学家谈论在其他恒星周围探测到可能的类地行星时，我们自然而然地会想去那里看一看。我们已经被“条件反射”地认为这是可能的。

实际上，这并不可能——至少现在还不行。但或许有一种“作弊”的方法，可以在不走完全部路程的情况下，获得星际旅行的好处。为了了解这可能如何实现，我采访了斯拉瓦·图里舍夫（Slava Turyshev），他是美国宇航局喷气推进实验室（NASA’s Jet Propulsion Laboratory）的一名研究科学家，多年来他一直在思考如何通过利用弯曲光线的规则来打破太空探索的规则。

图里舍夫是“太阳引力透镜”任务最著名的倡导者之一。他也是这一奇特概念的极少数倡导者之一，但与他交谈得越多，我就越兴奋。这里的想法是利用太阳的引力作为巨大的放大镜。根据爱因斯坦的广义相对论，太阳会扭曲其周围的空间。一束靠近太阳的光线会因此向内弯曲一点点，就像穿过透镜一样。

走到足够远的地方——至少 550 天文单位（AU），其中 1 AU 等于地球到太阳的距离——来自太阳后面物体的光线就会在焦点处汇聚。本质上，太阳变成了一个直径 140 万公里的望远镜。有了这样的放大倍数，就有可能在不进行实际旅行的情况下详细观察其他恒星周围的行星。但正如图里舍夫在接下来的采访中所解释的那样，仍然有很多复杂的问题需要解决。就连作弊有时也不是件容易的事。

问：我先问一个愚蠢的问题。你为什么要前往太阳引力透镜？为什么不直接在地球附近建造一个巨大的太空望远镜？

答：要分辨一个类地系外行星，你需要一个巨大的望远镜，直径数公里。我们离在太空中建造公里级孔径的望远镜还差得很远。也许我们可以在地球上建造 100 米的望远镜，但在太空中呢？这不可能。现在假设你真的能够建造一个 70 公里的太空孔径望远镜，并且把它做得只有几个原子厚。它会重达数万亿吨，但如果你部署它，太阳辐射压力会在一年内将其从太阳系中移除。

另一方面，我们可能很快就会发现系外行星上可能存在生命的有趣迹象。我们将想要对它们进行高分辨率成像。这就是我介入的原因——探索引力透镜的潜力，看看我们是否能够开发出任务概念。我申请了 NIAC（NASA 创新先进概念计划）。第三次尝试，他们决定支持我们。

问：太阳引力透镜任务将如何运作？首先，你需要走多远太阳才能成为一个有用的透镜？

答：焦点线从 548 天文单位开始，一直延伸到几乎无穷远。当你走得更远时，圆盘会与太阳分离得更开，这样我们就可以阻挡太阳和部分日冕。[太阳的引力会将行星的图像弯曲成围绕太阳圆盘的环状。] 我们需要走到 750 天文单位。

问：这真是个遥远的距离，大约是旅行者 1 号（Voyager 1）旅行距离的五倍。那么当你到达那里时，你会做什么——你只是悬停在那里，然后拼凑出一张行星的照片吗？

答：不。现在系统的动力学起作用了，因为宇宙中没有什么是静止的。你必须追踪天体（行星围绕其母星运行）的图像。那颗恒星相对于太阳在移动，而我们的太阳也不是静止的。它受到木星和土星引力的影响。为了补偿这种加速度，离子电推进[如 NASA 的曙光号（Dawn）任务所使用的]就足够了。但你走得越远，就需要越多的推进剂来追踪系外行星的图像。我们认为 750 AU 到可能 1200 AU 之间的距离是最优区域。

幸运的是，你不需要停下来。你只需继续前进，通过一个三维空间收集光子。每个光子实际上都会带有时间戳。然后我们可以补偿时间延迟并重建图像。构建系外行星的图像不到一年时间。

问：你是否可以每年持续拍摄行星的新照片来观察变化，例如移动的云层？

答：正是如此。我们做了一个模拟，并能够基本上从图像中去除云层。我们可以透过云层看到大陆。我们还可以看到天气模式，以及地形。这非常令人兴奋。

问：既然瞄准目标需要如此精确，你是否会仅限于研究一个行星？

答：如果该系统有多颗行星，那么该系统内的所有行星都可用。但是的，我认为这是一个单一目标任务。它不是星际任务，也不是勘测任务，它是一个行星任务。卡西尼号（Cassini）只去了土星。新视野号（New Horizons）去了冥王星。这个任务也将聚焦于一个目标——一颗行星或一个系统。

问：在前往 750 AU 的漫长旅途中会发生什么？沿途是否有有意义的事情可以做？

答：有很多有趣科学研究可以作为次要目标来完成。当我们从太阳系移开以到达那个焦点区域时，我们的基线会发生显著变化，因此我们现在可以测量到星系外源的距离。我们可以研究本地宇宙的动力学。我们还可以测试广义相对论和各种引力理论。我们也许能够绘制出太阳系背景，太阳系的尘埃。一旦我们到达太阳引力透镜点，我们还可以观察同一视场中的任何其他物体。

问：让我们谈谈实际问题。你如何能在合理的时间内到达那么远的地方？

答：有两种方法可以到达那里。如果你选择小型化的方案，飞行 50 厘米孔径的望远镜（约 20 英寸），那么你就可以使用太阳帆。使用 JPL 目前正在开发的帆设计，我们有可能达到大约每秒 60 到 70 公里的速度，这是相当可观的。

如果你使用更大的火箭，我们需要进行一次太阳飞掠。你会像掉入太阳一样，然后点燃火箭，也许是固体火箭发动机，来利用所谓的奥伯特机动（Oberth maneuver）[火箭在高速运动时提供更大推力的效应]。对于奥伯特机动，我们将飞到距离太阳表面仅两到三倍太阳半径的地方。热屏蔽是一个主要挑战，但有了这个火箭，我们可以在 27 到 35 年内到达太阳引力透镜的距离。这还在一个科学家的生命周期内。

问：你还与 Breakthrough Starshot 团队合作过，他们正在研究真正的星际任务。你为什么更喜欢专注于太阳引力透镜的方法？

答：用 Breakthrough 的方法如何实现目标还不清楚。如果你以光速的 0.2 倍（Breakthrough 的既定目标）飞过一个行星系统，你如何找到你的目标？飞掠只发生在大约千分之一毫秒的时间内。你如何获取数据？你如何报告数据并将其发送回来？这些还没有真正解决。

我们必须在 JPL 研究如何访问系外行星的方法，我们意识到[以超高速]飞掠没有意义。你必须停下来绕轨道运行。在飞掠过程中几乎不可能获得任何有用的数据。没有任何实际的仪器概念可以在相对论速度下获得足够的光子进入你的探测器，以在适当的时间记录它们来重建图像。但在我看来，也没有一种可行的方法可以让你停下来，甚至减速。

问：你认为现在开始考虑 Breakthrough Starshot 这样宏伟的计划是否太早了？

答：我仍然喜欢 Breakthrough 的方法[使用高功率激光加速附有光帆的航天器]。这是一种推进概念，可以实现很多事情。如果他们成功了——我希望他们成功——这将是我们离开太阳系的一种方式，也许不是用一克重的小型航天器，而是用一些不同的东西。

问：你似乎对太阳引力透镜任务的可行性持乐观态度，但许多人仍然认为这不过是异想天开。

答：我并不低估这个任务的挑战。最大的挑战显然是你必须到达的极端距离。但它远没有那么远[与真正的星际旅行相比]，而且你不需要减速来收集信息。这是一个自然的中间步骤。在你用 Breakthrough 的方法去行星之前，为什么不先飞到太阳引力透镜去看看去那个行星是否值得呢？

归根结底，要详细看到任何系外行星上的生命，我们最终都需要亲自去那里。但我们离那个时间还很远。可能要两百多年。太阳引力透镜可以让你在实际前往行星的几十年甚至几个世纪前就能详细研究潜在的目标。