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接近光速的太空船如何減速?

接近光速的太空船可以缩短观测的时间,但太快的太空船到达目的地时,不就会直接飞过去而没有办法进行观测吗了?为此两位科学家提出了一个可能的方法,可以让光速太空船减速。

对人类来说,探索未知的领域永远是令人兴奋的事情。无论是过去大航海时代的发现新大陆,或是登陆月球,每一次的探险都代表着新发现。但是对于相当遥远的星系,基本上我们就只能请无人太空船代劳。尽管如此,当太空船带我们到遥远的边界时,例如2015年新地平线号飞越冥王星的时候,大家不但第一次看清楚了冥王星的样子,同时也增加了我们对冥王星的认识。

但是探索太空的问题是,目标遥远而太空船的飞行速度慢,造成到任何地方都要相当漫长的时间。以新地平线号为例,2006年发射,2015年才从地球飞到冥王星,而这已经是相对快速的旅程了。如果要探索几光年以外的恒星,那么没有接近光速的太空船,基本上就没有指望了。

因此科学家提出了一个叫做 Starshot 的计划。这个计划的目标是建立一个速度可以到达五分之一光速的太空船。以这种速度,从地球到月球大概只要六秒。这个太空船的概念其实很简单。整个构造类似帆船一样,由一个相当大的帆载着一个相当相当轻的太空船。而推力则是由位于地球的强力雷射提供。透过雷射照射在光帆时所产生的光压来提供动力。当太空船顺利前进之后,太空船的光帆可以利用太阳所发射出的光子来继续前进。以五分之一光速的速度,预计二十年左右就可以到达南门二(Alpha Centauri),这个距离地球约4.37光年的恒星系统。

但是如果这个太空船真的可以加速到光速的五分之一,当这个太空船到达南门二的时候,不就会直接飞过去而没有办法进行观测吗?因此,德国 Max Planck 研究所的科学家 René Heller 与另一位同事 Michael Hippke 提出了一个让太空船减速的方法。

他们假设太空船的光帆面积为十万平方公尺(约240个篮球场的大小),太空船的重量为100克(约略是一瓶养乐多的重量)。减速的方法很简单,当太空船飞行到南门二附近的时候,因为南门二也是恒星,所以也会发光,因此可以调整光帆的角度来面向南门二,利用南门二所发出的光子所产生的光压来减速。而且,当太空船越来越靠近南门二的时候,太空船也会接受到南门二的重力。因此仔细调整两股力量,甚至可能可以改变太空船的轨迹,让太空船转向,或是甚至让太空船可以绕着南门二飞行。

2016年,欧洲南方天文台发现南门二事实上是个三恒星系统,而且在附近有个类地行星,因此 Heller 跟 Hippke 认为,说不定还可以顺路看看这三个恒星还有类地行星。

这个构想听起来相当有吸引力,但是从工程的角度而言,还有相当多问题有待克服:要如何做出这么大的光帆?要如何把超高强度的雷射对准这个太空船?当太空船的尺寸这么小,是否有可能可以容纳足够的控制系统来调整光帆的位置?这些都有赖后续的研究来证实其可行性。

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