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太空旅行幻想家解决星际减速问题

太空旅行幻想家解决星际减速问题

发布时间:2018-05-15    浏览量:20

星际旅程:Starshot项目的目标是发送一个由巨大的矩形光子帆驱动的小型航天器到达半人马星系统,在那里它将飞过类似地球的行星Proxima Centauri b。从帆的角落发出的四束红色激光描绘激光脉冲以便与地球通信。

em新的研究细节如何使用恒星的辐射和重力来减速高速星际射弹。 / em

去年4月,亿万富豪尤里米尔纳宣布了突破性的Starshot计划。他计划投资1亿美元开发超轻型帆,在20年内可以加速到光速的20%,以达到Alpha Centauri恒星系统。一旦到达目标,如何减缓这种抛射物的问题仍然是一个挑战。哥廷根马克斯普朗克太阳系研究所的RenéHeller和他的同事Michael Hippke建议使用Alpha Centauri恒星的辐射和重力来减速。它甚至可以改道给红矮星星Proxima Centauri及其类似地球的行星Proxima b。

在最近的科幻电影“乘客”中,一艘巨大的宇宙飞船以一半的光速飞向遥远的星球“宅基地II”,历时120年,其5000名乘客将建立一个新家。在目前的技术状态下,这个梦想是不可能实现的。 “凭借今天的技术,即使是小型探针也需要近10万年才能到达目的地,”RenéHeller说。

尽管存在技术上的挑战,但海勒和他的同事迈克尔希普克想知道:“你怎么能够优化这种类型的任务的科学成果?”这样一个快速探测器将在短短六秒钟内覆盖从地球到月球的距离。因此,它将一瞬间冲过Alpha Centauri系统的恒星和行星。

解决方案是在探测器的航行到达时重新部署探测器,以便通过来自Alpha Centauri系统星体的入射辐射使航天器达到最佳减速。一位为即将到来的Exoplanet任务PLATO做准备的天体物理学家RenéHeller在IT专家Michael Hippke发现了一种相合的精神,他开创了计算机模拟。

这两位科学家的计算基于总重量小于100克的太空探测器,该太空探测器安装在10万平方米的帆上,相当于14个足球场的面积。在接近Alpha Centauri的过程中,制动力会增加。制动力越强,航天器的速度在抵达时就越有效。反之亦然,同样的物理可以用来加速远离太阳系的帆,利用太阳作为光子炮。

这颗微型航天器首先需要靠近四百万公里的恒星阿尔法半人马A,相当于五个恒星半径,最高速度为每秒13,800公里(光速的4.6%)。在更高的速度下,探头只会超出恒星。

在恒星相遇期间,探测器不仅会受到恒星辐射的排斥,还会被恒星的引力场所吸引。这个效果可以用来绕着星星偏转它。我们的太阳系中的太空探测器已经多次执行这些摆动式的演习。 “在我们名义上的任务情景中,探测器需要不到100年的时间 - 或者说Voyager探测器现在正在旅行的时间大约是其两倍。而这些从20世纪70年代开始的机器仍然在运作,“迈克尔希波克说。

从理论上讲,Heller和Hippke提出的自主,主动的轻帆可以在阿尔法半人马座A周围的轨道上定位,并可能探测它的行星。但是,这两位科学家的想法更大。 Alpha Centauri是三星系统。两颗双星A和B围绕它们的共同质心在相对较近的轨道上旋转,而第三颗恒星Proxima Centauri则距离0.22光年远,是太阳和地球之间距离的12,500倍。

风帆可以配置为使星形A的恒星压力制动并将探测器偏向Alpha Centauri B,在几分钟后它将到达。然后帆再次放慢速度,然后向Proxima Centauri方向发展,在距离地球发射约140年后,它将在46年后到达。

Proxima Centauri在2016年8月引起了轰动,当时欧洲南方天文台(ESO)的天文学家发现了一颗与地球一样巨大的外行星伴星,并在其所谓的居住区内环绕着这颗恒星。这使得理论上可以在其表面上存在液态水 - 水是地球上生命的关键先决条件。

“这一发现促使我们考虑在Proxima Centauri及其星球停止高速星际闪电的可能性,”RenéHeller说。马克斯普朗克研究人员和他的同事提出了对Starshot项目战略的另一个改变:与其说是一个巨大的耗能激光器,太阳的辐射可以用来加速超出太阳系的纳米探针。 “它将不得不靠近太阳,才能获得必要的动力,”Heller说。


该动画显示了光重力辅助,该重力辅助是通过包括星帆alpha星号A在轻风帆上的光子压力的修改的N体积分器的数值计算而计算的。在这段视频结尾,风帆正在被恒星光子压力加速。如果正确选择了空间偏转,可以使用星体α,星号A,B和C(Proxima)上的这种效应组合来将风帆射回地球。 / em

两位天文学家正在与Breakthrough Starshot Initiative的成员讨论他们的概念,他们欠他们的学习启发。 “我们的新任务概念可以产生高度科学回报,但只有我们的孙辈的孙辈才能得到它。另一方面,Starshot在数十年的时间尺度上工作,可以在一代人中实现。因此,我们可能已经确定了Starshot的一个长期后续概念,“Heller说。

尽管新的情景是基于数学研究和计算机模拟的,但现在实验室已经开发出风帆的硬件:“风帆可以由石墨烯制成,这是一种极薄且轻但超硬的碳膜,”勒内海勒说。这部电影将不得不由高反光罩覆盖,以承受深空的严酷环境和目标明星附近的热度。

光学和电子系统必须很小。但如果要从现代智能手机中移除所有不必要的组件,“只有几克功能技术可以保留。”此外,轻型太空船将不得不独立导航,并通过激光将其数据传输到地球。要做到这一点,就需要能量,它可以利用恒星的辐射。

因此突破Starshot构成了迄今为止仅在理论上解决的艰巨挑战。然而,“人类历史上的许多伟大愿景必须与似乎无法克服的障碍作斗争,”海勒说。 “我们很快就可以进入一个时代,人类可以通过飞行任务离开自己的星系来探索系外行星。”

论文:高速星际光子在αCentauri上减速到束缚轨道

Source:Max Planck Institute

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