探索三體星逐漸變為現實!每秒60000公里,新材料或將大顯神威

在真空中,光在1秒之內就可以穿越29.979萬公里的空間,這是宇宙中最快的速度。

(圖片說明:光速限制了人類的星際旅行幻想)

但對于我們來說,這個速度還是太慢了。因為這個宇宙太大了,恒星之間動輒就是以光年為單位來衡量距離。即便是距離太陽最近的恒星比鄰星,也在4.24光年以外,這意味著就算我們達到光速,也需要4.24年才能抵達比鄰星。再考慮到回來的時間,還需要另外4.24年。

可是,就連這顆最近的恒星,我們也無法抵達。人類航天器能夠達到的最快瞬時速度,連每秒100公里都達不到。迄今為止飛行最遠的探測器,想要抵達比鄰星,僅僅在理論上都需要至少7.5萬年。看起來,比鄰星遙不可及。

(圖片說明:三體星假想圖)

不管怎麼說,作為距離太陽系最近的恒星,比鄰星仍然是我們最有希望在有生之年能夠近距離探測的恒星系統。而且,作為和太陽完全不同的恒星類型——紅矮星,並且還擁有著自己的三顆行星。其中,比鄰星b被稱為三體星,是一顆宜居行星,那裡是否有生命,已經成為了人們最關心的科學話題之一。

總之,比鄰星的確值得讓人類付出最大的努力,嘗試近距離的探測。

(圖片說明:太陽帆是目前人類實現星際旅行的唯一可行方法)

這真的不是異想天開,別看人類迄今為止造出來的航天器所能達到的速度都遠遠不足以沖出太陽系,那只是因為最新的技術還沒有開發出來。而這項令人期待的技術,早就已經提出預想,並獲得了科學家的認可,正在一步步突破。也就是說,我們真的有希望在有生之年將探測器送到比鄰星周圍!

這個技術,就是所謂的光帆,又叫做太陽帆。

光帆技術

(圖片說明:太陽帆的最初靈感來自彗星)

說起來你可能不信,光帆這個設想早在400多年前就被提出了。著名天文學家開普勒在看到彗星的尾巴背向太陽的時候就意識到,這或許是太陽的光具有某種力,能夠將彗星上的物質吹走,從而形成了彗尾。如果我們能夠利用這種原理,就可以獲得源源不斷的動力,進行漫長的星際航行。

他的想法聽起來荒誕不經,但是今天的科學家發現,這種猜想很靠譜。這種太陽光產生的力,如今被稱為光壓。

你可能不相信,畢竟每天我們都會曬太陽,也沒感覺有什麼壓力啊!

(圖片說明:太陽光能夠產生壓力)

那只是因為,光壓產生的力非常微弱。就拿人舉例子,一個人在曬太陽的時候接受到的光壓,只有差不多1毫克的力,比一張紙還微弱。

這麼小的力,真的能夠推動航天器進行星際旅行嗎?

再大一點

能。壓強小不要緊,增加受力面就可以了。一個人的表面積只能接收到1毫克的力,如果一個航天器的表面積足夠大,那麼獲得的推力就非常可觀了。比如在地球的位置上,如果我們做一個邊長800米的方形太陽帆,獲得的推力就有5牛頓。

(圖片說明:加大面積可以讓光帆獲得更大的推力)

如果再大一點呢?而且,陽光是源源不斷的,這意味著這個推力是持續的。經過疊加,光帆將會獲得極其強大的累積推力,從而加速到相當驚人的程度。科學家認為,只要我們能夠實現光帆技術,那麼完全可以將一個探測器加速到光速的20%,也就是每秒差不多60000公里!這樣一來,只需要幾十年的時間,人類探測器就能夠抵達比鄰星了!

既然光帆這麼厲害,為啥科學家還不開始製造呢?

且不說人類的科技能不能造出這麼巨大的光帆,就算造出來了,我們還需要考慮一個問題:牛頓第二定律。我們知道,一個物體的質量越大,就越難以加速。如果我們真的做出那麼巨大的太陽帆,其恐怖的質量可能也會讓加速效果蕩然無存。

(圖片說明:太陽帆必須足夠薄)

所以,想要達到兩全其美的效果,科學家就必須讓太陽帆變大的同時還要變輕。

加大推力

除了增加太陽帆本身的面積之外,還有一種方法可以提高它的速度,那就是增加推力。太陽光提供的光壓的確比較小,但我們可以人工施加光壓,比如鐳射。

問題在于,隨著航天器的加速,光源射出的光在抵達航天器時,波長已經被拉長了,這就是多普勒效應,和星系遠離我們時發生紅移是一個原理。基于這個問題,太陽帆的材料也必須對吸收紅外線的能力做出要求。

再者,鐳射提供的強大推力對于太陽帆本身來說也是一個挑戰,因為想要讓太陽帆又大又輕,那就得做得很薄。但是,太薄的太陽帆,可能在鐳射的壓力下就破碎了。所以,製作太陽帆的材料還要足夠硬。

總之,這種材料必須非常牛才可以。

最近,《納米通訊》雜誌上發表了美國賓夕法尼亞大學的科學家們的最新成果,他們提出了一種太陽帆的構造設想,那就是一種雙層材料,其材料分別是二硫化鉬和氮化矽。

這兩種材料,聽起來就不明覺厲。研究人員介紹,這兩種材料都具有非常優良的物理、化學性質,還具有許多光學特性,並且能夠被製作成薄片形狀,非常適合用作太陽帆。

(圖片說明:二硫化鉬微觀結構)

受力模型

《納米通訊》雜誌上這一次一口氣發表了兩篇關于太陽帆的研究,另一項研究並沒有思考如何選擇材料,而是從受力的角度對太陽帆進行了思考。

就算再堅固的材料,在受力的時候也會變形。可以想象,一個極其巨大的太陽帆在鐳射的作用下,勢必會發生形變。說得通俗點,它就會像降落傘一樣鼓起來。加利福尼亞大學的科學家們對一個面積為平方公尺級的太陽帆進行了建模,分析了它可能發生的形變,通過形變後的曲率,對材料的性質進行了限制。

總結

可以說,太陽帆是目前人類已知的唯一可行並且能夠在有生之年抵達比鄰星的技術。正因如此,連霍金生前都贊助了相關的研究專案,那就是突破攝星計畫。

需要說明的是,目前科學家們研究的太陽帆,其目的是將人類探測器送到比鄰星,而且是微型探測器。至于人類前往比鄰星進行探測的設想,是不在考慮范圍內的。畢竟人類不可能單獨前往比鄰星,還需要更加巨大的航天器,這對于太陽帆的要求太高了。而且,幾十年的旅程,足以讓一個人老死在路上。

(圖片說明:太陽帆或可讓我們在有生之年看到比鄰星的廬山真面目)

能夠讓探測器抵達比鄰星,我們就滿意了,至少那裡探測到的資訊可以在4.24年內就傳回地球。至于人類什麼時候能夠親眼去看看比鄰星和三體星,那就要等待更加先進的技術了。

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