電帆 vs. 光帆：星際旅行不是夢？_風聞

原創：牧夫天文

編譯:王茸

校對:王婧彧 徐釩

美編:劉炎成

後台:庫特莉亞芙卡、李子琦

本文在原文基礎上改寫而成。

原文作者: Matt Williams

原文鏈接: https://www.universetoday.com/143992/whats-the-best-way-to-sail-from-world-to-world-electric-sails-or-slar-sails/o

十年彈指一揮間，數以千計的系外星球被人類發現。這種迅速增長也拓寬了星際探索的廣度，讓我們越發有可能要派出宇宙飛船去探索太陽系外的廣袤天地。願望固然好，必須要有配套可行的技術才能實現。挑戰重重，很多非常有探索性和想象力的概念被科學家們提了出來，這其中就包括久經考驗論證的光帆概念(Light Sail)。這個概念主要通過攝星計劃(Breakthrough Starshot)和類似的方案來論證。

插播：攝星計劃就是2016年4月霍金聯合前物理學家兼大富翁尤里·米爾納(Yuri

Milner)開展的一個1億美金計劃。通過發射許多個納米飛行器，並使飛行器速度達到光速的20%左右，用約20多年的時間到達距離地球最近的恆星系統--半人馬座α星（Alpha Centauri）。

然而近年來，科學家們又提出了一種更有效率的概念“電帆”(Electric Sail)。電帆由一系列金屬細絲構成，金屬細絲產生電荷進而影響太陽風粒子併產生動量。在近年來的研究中，兩位哈佛科學家對比了這些方法並指出了哪些方法更適用於不同的星際旅行任務。

這個新近發佈在網上並被《宇航學報》(Acta Astronautica)審核的研究，是由Manasavi Lingam 和Abraham Loeb撰寫完成的。Manasavi Lingam是佛羅里達科技大學（FIT）的助理教授，Abraham Loeb作為科學教授以及理論與計算研究所的負責人任職於哈佛大學。

攝星計劃，由突破基金會資助，意在完成人類第一次星際旅行。

Credit: Breakthrough Initiatives

光帆的概念是歷史悠久且廣為人知的。設想一艘航天器安裝了一面巨大的反射帆面，利用恆星的輻射壓來驅動前進。這項技術的一大優勢在於傳統航天器需要攜帶燃料，燃料又佔到了航天器質量的一大部分，而光帆則不需要攜帶燃料。這個優點在星際旅行中非常突出，反應物質的質量對航天器飛行速度是否能接近光速的一小部分至關重要。與反物質推進或者那些未經證實的物理概念甚至假設不同，太陽/光帆所使用的技術的物理原理是已經被證實可行的。

光帆的另一個優勢在於它可以使用太陽輻射以外的其他途徑進行加速。正如Lingam介紹所説:”光帆可以被激光列陣或者太陽/星際輻射推進。無論是哪一種方式，光帆都不像火箭一樣需要攜帶燃料。這將大大減輕航天器的質量。同樣的優點也適用於電帆。”

然而，最近幾年以來，這個概念的外延也在持續發展，比如1988年Robert Zubrin 與Dana Andrews提出的磁帆（magsails）以及2006年Janhunen提出的電帆（Electric Sail）。前者通過超導環來產生電場而後者通過一張密閉金屬細絲的帆來形成磁場。兩種方法都可以通過太陽風產生推力。

這些概念都與太陽/光帆有着本質的不同。Lingam繼續介紹説：“電帆依賴於通過電場來使太陽風粒子產生電荷並從而產生動量，然而光帆依賴於恆星的光子進行動量傳輸。因此，恆星風推動電帆，恆星電磁輻射推動光帆。”

有趣的是，一些研究者認為磁帆或許可以在光帆接近目的地時幫助減速。法蘭克福大學理論物理研究所（Institute for Theoretical Physics Goethe University Frankfurt）的Claudius Gros教授以及蜻蜓計劃(Project Dragonfly)的主要研究員Andreas Hein和Kelvin F. Long就是這個理論的代表人物。

以上的三種概念都可以將恆星的輻射轉換為動量，但又各有瑕疵。電帆極其依賴於它的母星性質。而光帆在遇到紅矮星時則不那麼靈光，因為紅矮星所釋放的光壓不足以產生足夠的速度讓航天器離開母星系。

關於光帆被天體表面釋放的射電波所驅動的藝術家想象圖。

Credit: M. Weiss/CfA

銀河系中大約75%的恆星都是這種質量不夠，温度不夠的紅矮星。相比於其他恆星類別，紅矮星又是出了名的長壽，大約能不温不火地存在十萬億年。因此，一個能夠適用於紅矮星系統的推進理念可能更適合於長時間的星際旅行。

鑑於這些考慮，兩位科學家需要判斷光帆或者電帆哪種方法更加適用於不同類別的星際旅行，比如F型恆星（白色），G型恆星（黃色），K型恆星（橘色）以及M型紅矮星。在考慮了每一種恆星類別的輻射性質後，他們用攝星計劃中的航天器參數作為衡量參數。

他們發現，電帆在大部分類型的恆星中可以提供更好的推進力，而且也不侷限於克量級的航天器上。然而，這兩位研究者的計算也發現使用電帆的航天器想要達到能夠進行星際旅行的速度需要更長的時間。如果使用激光列陣驅動的光帆，那麼達到相對速度（比如光速的10%）則相對容易些，同等情況下，被星風驅動的電帆僅能達到光速的0.1%。

圍繞紅矮星運轉的Gliese 832想象圖，距離地球僅16光年。

Credit:ESO/M.Kornmesser/N.Risinger (skysurvey.org).

由於電帆獲取速度的時間較長，在研究者看來，任何想要利用電帆進行星際旅行的物種都需要足夠長壽，來等待電帆用一百萬年的時間來達到相對速度。如果這類物種確實存在的話，那麼用電帆來進行銀河系旅行是一個相對方便也節能的方式。

從宇宙尺度來看，一百萬年不過一瞬間而已。但是從人類的角度看，一百萬年卻相當漫長。人類已經生存了20萬年，有記錄的歷史僅有6000年。更要命的是，我們的宇宙飛行史只有短短的60年而已。

因此，一面被激光驅動的帆在人類的有生之年似乎更加實際一些。這項研究的另一個啓示就是如何對接搜尋地外文明計劃(SETI, search for extra-terrestrial intelligence)。當人類搜索宇宙內科技活動的線索時，科學家總是不得不尋找那些他們已經熟識的跡象。

強勁的激光可能會是將我們的存在告知其他文明的一種方式，也是我們搜尋地外文明的線索。 

Credit: MIT News

鑑於電帆的優勢，很有可能外星文明也很喜歡使用這種科技。就像Loeb教授説的“我們的計算顯示出先進文明傾向於使用電帆而不是光帆來推進航天器。然而，如果這個技術文明的母星不能提供足夠的動力來推進的話，他們就可能會選擇光帆這種由人造光束提供推進力的技術。就像航海中，帆船僅利用風就能航行，那些體積龐大但快速的船隻被人工技術例如發動機所產生的動力推進。”

不幸的是，電帆在較遠距離不容易被探測到。原因在於那些金屬細絲不能展示出明顯的技術特徵。因此，搜尋地外文明計劃應該將重心放在搜索光帆上，因為光帆在邊緣會產生光束的泄露或者他們在接近太陽時會反射太陽光，就像相似大小的小行星和彗星一樣。

然而，電帆的使用對於地外文明同樣有着吸引力。除了節能，電帆不會受制於溢出效應，在星系間穿越時可以不被察覺。也許這就是對於費米悖論的一個解釋？有可能呢！

『天文時刻』 牧夫出品

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星際空間的地球

影像來源: Cassini Imaging Team, SSI, JPL, ESA, NASA & NASA/JHU Applied Physics Lab/Carnegie Inst. Washington