电帆 vs. 光帆：星际旅行不是梦？

原创：牧夫天文

编译:王茸

校对:王婧彧 徐钒

美编:刘炎成

后台:库特莉亚芙卡、李子琦

本文在原文基础上改写而成。

原文作者: Matt Williams

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

十年弹指一挥间，数以千计的系外星球被人类发现。这种迅速增长也拓宽了星际探索的广度，让我们越发有可能要派出宇宙飞船去探索太阳系外的广袤天地。愿望固然好，必须要有配套可行的技术才能实现。挑战重重，很多非常有探索性和想象力的概念被科学家们提了出来，这其中就包括久经考验论证的光帆概念(Light
Sail)。这个概念主要通过摄星计划(Breakthrough Starshot)和类似的方案来论证。

插播：摄星计划就是2016年4月霍金联合前物理学家兼大富翁尤里·米尔纳(Yuri

Milner)开展的一个1亿美金计划。通过发射许多个纳米飞行器，并使飞行器速度达到光速的20%左右，用约20多年的时间到达距离地球最近的恒星系统--半人马座α星（Alpha
Centauri）。

然而近年来，科学家们又提出了一种更有效率的概念“电帆”(Electric Sail)。电帆由一系列金属细丝构成，金属细丝产生电荷进而影响太阳风粒子并产生动量。在近年来的研究中，两位哈佛科学家对比了这些方法并指出了哪些方法更适用于不同的星际旅行任务。

这个新近发布在网上并被《宇航学报》(Acta
Astronautica)审核的研究，是由Manasavi Lingam 和Abraham Loeb撰写完成的。Manasavi
Lingam是佛罗里达科技大学（FIT）的助理教授，Abraham Loeb作为科学教授以及理论与计算研究所的负责人任职于哈佛大学。

摄星计划，由突破基金会资助，意在完成人类第一次星际旅行。

Credit: Breakthrough Initiatives

光帆的概念是历史悠久且广为人知的。设想一艘航天器安装了一面巨大的反射帆面，利用恒星的辐射压来驱动前进。这项技术的一大优势在于传统航天器需要携带燃料，燃料又占到了航天器质量的一大部分，而光帆则不需要携带燃料。这个优点在星际旅行中非常突出，反应物质的质量对航天器飞行速度是否能接近光速的一小部分至关重要。与反物质推进或者那些未经证实的物理概念甚至假设不同，太阳/光帆所使用的技术的物理原理是已经被证实可行的。

光帆的另一个优势在于它可以使用太阳辐射以外的其他途径进行加速。正如Lingam介绍所说:”光帆可以被激光列阵或者太阳/星际辐射推进。无论是哪一种方式，光帆都不像火箭一样需要携带燃料。这将大大减轻航天器的质量。同样的优点也适用于电帆。”

然而，最近几年以来，这个概念的外延也在持续发展，比如1988年Robert
Zubrin 与Dana Andrews提出的磁帆（magsails）以及2006年Janhunen提出的电帆（Electric
Sail）。前者通过超导环来产生电场而后者通过一张密闭金属细丝的帆来形成磁场。两种方法都可以通过太阳风产生推力。

这些概念都与太阳/光帆有着本质的不同。Lingam继续介绍说：“电帆依赖于通过电场来使太阳风粒子产生电荷并从而产生动量，然而光帆依赖于恒星的光子进行动量传输。因此，恒星风推动电帆，恒星电磁辐射推动光帆。”

有趣的是，一些研究者认为磁帆或许可以在光帆接近目的地时帮助减速。法兰克福大学理论物理研究所（Institute
for Theoretical Physics Goethe University Frankfurt）的Claudius
Gros教授以及蜻蜓计划(Project Dragonfly)的主要研究员Andreas Hein和Kelvin F.
Long就是这个理论的代表人物。

以上的三种概念都可以将恒星的辐射转换为动量，但又各有瑕疵。电帆极其依赖于它的母星性质。而光帆在遇到红矮星时则不那么灵光，因为红矮星所释放的光压不足以产生足够的速度让航天器离开母星系。

关于光帆被天体表面释放的射电波所驱动的艺术家想象图。

Credit: M. Weiss/CfA

银河系中大约75%的恒星都是这种质量不够，温度不够的红矮星。相比于其他恒星类别，红矮星又是出了名的长寿，大约能不温不火地存在十万亿年。因此，一个能够适用于红矮星系统的推进理念可能更适合于长时间的星际旅行。

鉴于这些考虑，两位科学家需要判断光帆或者电帆哪种方法更加适用于不同类别的星际旅行，比如F型恒星（白色），G型恒星（黄色），K型恒星（橘色）以及M型红矮星。在考虑了每一种恒星类别的辐射性质后，他们用摄星计划中的航天器参数作为衡量参数。

他们发现，电帆在大部分类型的恒星中可以提供更好的推进力，而且也不局限于克量级的航天器上。然而，这两位研究者的计算也发现使用电帆的航天器想要达到能够进行星际旅行的速度需要更长的时间。如果使用激光列阵驱动的光帆，那么达到相对速度（比如光速的10%）则相对容易些，同等情况下，被星风驱动的电帆仅能达到光速的0.1%。

围绕红矮星运转的Gliese 832想象图，距离地球仅16光年。

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

由于电帆获取速度的时间较长，在研究者看来，任何想要利用电帆进行星际旅行的物种都需要足够长寿，来等待电帆用一百万年的时间来达到相对速度。如果这类物种确实存在的话，那么用电帆来进行银河系旅行是一个相对方便也节能的方式。

从宇宙尺度来看，一百万年不过一瞬间而已。但是从人类的角度看，一百万年却相当漫长。人类已经生存了20万年，有记录的历史仅有6000年。更要命的是，我们的宇宙飞行史只有短短的60年而已。

因此，一面被激光驱动的帆在人类的有生之年似乎更加实际一些。这项研究的另一个启示就是如何对接搜寻地外文明计划(SETI,
search for extra-terrestrial
intelligence)。当人类搜索宇宙内科技活动的线索时，科学家总是不得不寻找那些他们已经熟识的迹象。

强劲的激光可能会是将我们的存在告知其他文明的一种方式，也是我们搜寻地外文明的线索。 

Credit: MIT News

鉴于电帆的优势，很有可能外星文明也很喜欢使用这种科技。就像Loeb教授说的“我们的计算显示出先进文明倾向于使用电帆而不是光帆来推进航天器。然而，如果这个技术文明的母星不能提供足够的动力来推进的话，他们就可能会选择光帆这种由人造光束提供推进力的技术。就像航海中，帆船仅利用风就能航行，那些体积庞大但快速的船只被人工技术例如发动机所产生的动力推进。”

不幸的是，电帆在较远距离不容易被探测到。原因在于那些金属细丝不能展示出明显的技术特征。因此，搜寻地外文明计划应该将重心放在搜索光帆上，因为光帆在边缘会产生光束的泄露或者他们在接近太阳时会反射太阳光，就像相似大小的小行星和彗星一样。

然而，电帆的使用对于地外文明同样有着吸引力。除了节能，电帆不会受制于溢出效应，在星系间穿越时可以不被察觉。也许这就是对于费米悖论的一个解释？有可能呢！

『天文时刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

星际空间的地球

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