接近光速的太空船如何減速?

■接近光速的太空船可以縮短觀測的時間,但太快的太空船到達目的地時,不就會直接飛過去而沒有辦法進行觀測嗎了?為此兩位科學家提出了一個可能的方法,可以讓光速太空船減速。

© Planetary Habitability Laboratory, Univesity of Puerto Rico at Arecibo
© Planetary Habitability Laboratory, Univesity of Puerto Rico at Arecibo

撰文|陳勁豪

對人類來說,探索未知的領域永遠是令人興奮的事情。無論是過去大航海時代的發現新大陸,或是登陸月球,每一次的探險都代表著新發現。但是對於相當遙遠的星系,基本上我們就只能請無人太空船代勞。儘管如此,當太空船帶我們到遙遠的邊界時,例如2015年新地平線號飛越冥王星的時候,大家不但第一次看清楚了冥王星的樣子,同時也增加了我們對冥王星的認識。

但是探索太空的問題是,目標遙遠而太空船的飛行速度慢,造成到任何地方都要相當漫長的時間。以新地平線號為例,2006年發射,2015年才從地球飛到冥王星,而這已經是相對快速的旅程了。如果要探索幾光年以外的恆星,那麼沒有接近光速的太空船,基本上就沒有指望了。

因此科學家提出了一個叫做 Starshot 的計畫。這個計畫的目標是建立一個速度可以到達五分之一光速的太空船。以這種速度,從地球到月球大概只要六秒。這個太空船的概念其實很簡單。整個構造類似帆船一樣,由一個相當大的帆載著一個相當相當輕的太空船。而推力則是由位於地球的強力雷射提供。透過雷射照射在光帆時所產生的光壓來提供動力。當太空船順利前進之後,太空船的光帆可以利用太陽所發射出的光子來繼續前進。以五分之一光速的速度,預計二十年左右就可以到達南門二(Alpha Centauri),這個距離地球約4.37光年的恆星系統。

但是如果這個太空船真的可以加速到光速的五分之一,當這個太空船到達南門二的時候,不就會直接飛過去而沒有辦法進行觀測嗎?因此,德國 Max Planck 研究所的科學家 René Heller 與另一位同事 Michael Hippke 提出了一個讓太空船減速的方法。

他們假設太空船的光帆面積為十萬平方公尺(約240個籃球場的大小),太空船的重量為100克(約略是一瓶養樂多的重量)。減速的方法很簡單,當太空船飛行到南門二附近的時候,因為南門二也是恆星,所以也會發光,因此可以調整光帆的角度來面向南門二,利用南門二所發出的光子所產生的光壓來減速。而且,當太空船越來越靠近南門二的時候,太空船也會接受到南門二的重力。因此仔細調整兩股力量,甚至可能可以改變太空船的軌跡,讓太空船轉向,或是甚至讓太空船可以繞著南門二飛行。

2016年,歐洲南方天文台發現南門二事實上是個三恆星系統,而且在附近有個類地行星,因此 Heller 跟 Hippke 認為,說不定還可以順路看看這三個恆星還有類地行星。

這個構想聽起來相當有吸引力,但是從工程的角度而言,還有相當多問題有待克服:要如何做出這麼大的光帆?要如何把超高強度的雷射對準這個太空船?當太空船的尺寸這麼小,是否有可能可以容納足夠的控制系統來調整光帆的位置?這些都有賴後續的研究來證實其可行性。

原始論文
Deceleration of High-velocity Interstellar Photon Sails into Bound Orbits at α Centauri
René Heller and Michael Hippke

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1. Max Planck Research News 2017/02/01: Full braking at Alpha Centauri
2. Breakthrough Initiatives: STARSHOT
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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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