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史上最快的人造物体:4克航天器被加速到20%光速,通信

编者按:从经济角度看,前往半人马座阿尔法星的探测器最佳动力选择是激光帆加速,在地球上建立一个激光装置,精确打到激光帆上,理论上可以将一个4克重的激光帆探测器加速到20%的光速。

宇宙印象|头条独家 深度科普栏目第1310期

霍金提出的突破摄星计划已提出4年了,如今进展如何?我们不妨来看看。该计划的目标是向距离太阳系最近的半人马座阿尔法星(Alpha Centauri)系统发送一个探测器(群),可能是多个微型航天器,也可能是一个,通过使用光帆和定向能量(激光)阵列来驱动。根据科学家的估算,一个小型航天器通过这两个技术配合可以加速到光速20%,这样我们就能够在20年内抵达距离我们最近的恒星系统。

图片解读:突破摄星采用两个技术:大型帆面和激光推进

图片解读:恒星之间的通讯技术受到距离上的限制,我们与4光年外的航天器通讯,一个来回就要8年以上

20年对于一个人的一生而言是可预期的,如果按照传统的航天器速度,需要数万年才行。突破摄星计划目前分为两个部分,第一部分是航天器系统,微型航天器需要光帆;第二部分是通信,负责这一块的是Kevin LG Parkin博士。我们要向和正在以20%光速飞行的航天器进行通信,难度可想而知。

虽然航天器的研发遇到了困难,但通信问题则是更大的挑战,目前的方案是建立一个直径4.1的激光发射器,一旦航天器抵达4光年外的半人马座阿尔法星后,可向地球传递信息。这个阵列将嵌入在船帆中,该阵列将以1.02微米的波长向地球上的射电望远镜传输数据。激光链路是目标星际之间建立通信的最佳方法之一,该技术目前也应用在卫星间激光通信上。激光的特点是利用波长短的光作为载体,可减少天线直径,安装在航天器上的激光通信帆开展后为4.1米,极高频率可提升通信容量。

图片解读:激光帆推进需要精确激光发射装置精确指向帆面

2013年,美国宇航局利用月球探测器演示了激光通信技术,即便是远在38万公里之外也能达到622兆每秒的传输速度。如果将这个技术用在前往半人马座阿尔法星的探测器上,可建立与地球之间紧密而持续的光束链路。但这个方法有个问题,需要非常精确地指向地球才行,如果指向歪了,那么激光通信链路也建立不起来。要让半人马座阿尔法星的探测器找到地球,就需要先定位好太阳的位置,从4光年外之外看太阳和地球,两者之间的视差非常非常小,束宽仅为太阳到地球的距离的十分之一。因此探测器需要先定位好太阳的位置,然后根据地球的相对位置找到地球,最终将激光精确指向地球。

从经济角度看,前往半人马座阿尔法星的探测器最佳动力选择是激光帆加速,在地球上建立一个激光装置,精确打到激光帆上,理论上可以将一个4克重的激光帆探测器加速到20%的光速。持续20年的激光加速电力成本大约为600万美元。科学家还设想了在下行链路上设置多个中继探测器,可减少丢失重要数据的风险。

图片解读:激光帆是目前能将4克探测器加速到20%光速的方法

如果所有的技术都攻克,我们还面临一个不可能解决的问题:双向光信号信息一个来回需要8.48年,宇宙中最快的就是光速,4.24光年外的探测器也需要8年多的时间才能进行一次有反馈的通信。从理论上看,我们花20年抵达半人马座阿尔法星,传递会信号需要4年,最快我们在启航之后的24年才能看到半人马座阿尔法星的图像。如果我们要调整一下观测半人马座阿尔发星的摄像头角度,就再等8年。宇宙印象为今日头条独家,其他均为假冒,转载均为非法