“突破摄星”计划最新消息 激光帆建议书对潜在开发者公布
2018-09-17 09:44:01 科技巴巴 探宇宙
突破摄星计划将是人类真正意义的第一次星际航行
2016年4月，俄罗斯亿万富翁尤里米尔纳宣布创立突破摄星计划。作为他的非营利科学组织（称为突破计划）的一部分，突破摄星计划的目的是设计一种能够实以现高达20％的光速运行的探测器并在我们有生之年到达最近的恒星系统α-半人马座（AKA）的光帆纳米飞船 。
以大约60000公里/秒速度飞行的 探测器将能够在20年内到达半人马座阿尔法星，到达后它可以捕捉到恒星和任何围绕它旋转的行星的图像。但根据内华达大学天体物理学家张兵（音译）教授最近的一篇文章，研究人员可以在到达目的地之前很久就可以从摄星和类似概念中获取各种有价值的数据。
这篇文章发表在谈话中，标题是“用光速行进的宇宙观察宇宙”。这篇文章是张教授和李坤阳（音译）在乔治亚理工学院天体物理学中心发表的一项研究的后续研究。该研究发表在天体物理学杂志（名为“相对论天文学”）上。
爱因斯坦在1934年美国科学促进会会议上的讲座
总而言之，突破摄星计划试图利用目前可实现的技术来完成一个星际任务，这个任务将在一代人时间内到达另一颗恒星。宇宙飞船将由超轻型纳米船和轻型帆组成，后者将由地面激光阵列加速至每秒数百公里的速度。
这样一个系统将允许微小的航天器在发射后大约20年内完成半人马座阿尔法星的飞越任务，然后可以回传可能获得的行星和其他科学数据（如磁场分析）。最近，突破摄星举行了一个“工业日”，他们向潜在竞标者提交了一份建议书（RFP），以建造激光帆。
根据张说，以光速的一部分行进的灯光驱动的纳米技术也是测试爱因斯坦狭义相对论的好方法。简而言之，该定律表明，无论惯性参考系或源的运动如何，真空中的光速都是恒定的。简而言之，这样的航天器将能够利用狭义相对论的特征，并提供一种研究天文学的新模式。
根据爱因斯坦的理论，不同“休息框架”中的不同对象将对空间和时间的长度有不同的度量。在这个意义上，以相对论速度移动的物体将以不同方式观察远处的天文物体，因为来自这些物体的光发射将被扭曲。虽然航天器前面的物体的光线波长会缩短，但是它背后的物体会延长它们的长度。
此图显示了无移位，红移和蓝移目标之间的差异
这种被称为“多普勒效应”的现象揭示光分别向光谱的蓝端（“蓝移”）或红色端（“红移”）移动以区别接近和远离物体。1929年，天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）使用红移测量来确定遥远的星系正在离开我们自己的星系，从而证明宇宙处于膨胀状态。
由于这种膨胀（称为哈勃常数），宇宙中的大部分光被红移，并且只能在难以观察的红外波长中测量。但是对于以相对论速度移动的相机，根据张教授的说法，这种红移光会变得更蓝，因为相机的运动会抵消宇宙膨胀的影响。
这种效应被称为“多普勒增强”，可以将来自早期宇宙的微弱光放大，并可以实现对远距离物体更详细地研究。在这方面，天文学家将能够研究已知宇宙中的一些最早的物体，这将提供更多关于它如何随时间演变的线索。正如张教授通过电子邮件解释的那样，这将为测试狭义相对论提供一些独特的机会：
“在相机的其余画面中，相机运动半球中物体的发射会发生蓝移。对于具有来自地面的详细光谱观测的明亮物体，可以在飞行中观察它们。通过比较它们在特定蓝移频率下的蓝移通量与地面上相应（去蓝移）频率的通量，可以精确地测试狭义相对论中的多普勒增强预测。
观察到附近星系M51的图像（左图）以及图像如何通过以一半光速（右图）移动的相机观察
此外，就观察者而言，光的频率和强度，以及远处物体的大小也会发生变化。在这方面，相机将充当透镜和宽视野照相机，放大它收集的光量，让天文学家在同一视场内观察更多物体。通过比较摄像机收集的观测结果与摄像机从地面采集的观测结果，天文学家还可以测试探测器的洛伦兹因子。
该因子表示当物体移动时物体的时间，长度和相对论质量如何变化，这是狭义相对论的另一个预测。张教授指出，以相对论速度行进的探针不需要发送到任何特定的目的地来进行这些测试。正如他解释的：
“相对论天文学”的概念是，人们并不需要将相机发送到特定的星系。无需瞄准（例如Alpha Centauri系统），无需减速。只要信号可以传回地球，人们就可以学到很多东西。有意义的目标包括高红移星系，活跃的星系核，伽马射线爆发，甚至是引力波的电磁对应物。“
但是，这个提议有一些缺点。对于起步者来说，突破摄星背后的技术就是完成无数人的梦想 ，即在一代人的时间内到达另一个星系，阿尔法半人马座。
而正如哈佛大学的科学教授亚伯拉罕·勒布教授和主席以及突破摄星组委员会通过电子邮件所说的，张教授提出的建议可以通过其他方式实现：
“事实上，让摄像机以接近光速移向微弱光源（例如早期宇宙中最遥远的矮星系），虽然是有意义的。但是，将摄像机发射到所需速度的成本远远高于构建下一代大型望远镜的成本，这将为我们提供更多的选择。同样，验证狭义相对论的目标可以以更低的成本完成。“
当然，像突破摄星这样的项目需要准备很多年，同时需要解决许多挑战。但令人兴奋的是，与此同时，科学应用可以设定更多其他任务。几十年后，当任务开始前往半人马座阿尔法星时，或许它也能够在运输过程中对狭义相对论和其他物理定律进行测试。
