任何渴望近距離觀察外星世界的人去年都收到了一份令人興奮的禮物。8月份，研究人員報告說，他們發現了一顆可能適合居住的、地球大小的行星，它圍繞著太陽最近的恆星鄰居——比鄰星執行，它距離我們僅1.3秒差距，或4.22光年。
這是一個誘人的——有些人可能會說無法抗拒的——目的地。向這顆名為比鄰星b的行星發射探測器，將使人類首次看到太陽系以外的世界。“如果我們能夠到達最近的恆星系統，那顯然將是人類的一大進步，” 加利福尼亞州帕薩迪納行星學會的科學技術主管布魯斯·貝茨說。傳回的資料可以揭示外星世界是否提供了生命所需的正確條件，甚至可以揭示是否有生物居住。
到達比鄰星b的想法不僅僅是科幻小說。事實上，在發現這顆系外行星的幾個月前，一群商界領袖和科學家就邁出了訪問被認為是比鄰星家園的半人馬座阿爾法星系的第一步。他們宣佈了突破攝星計劃，這是一項由俄羅斯投資者尤里·米爾納提供1億美元支援的努力，旨在大幅加速太空探測器的研發，該探測器可以完成這次旅行。當發現比鄰星b時（G. Anglada-Escudé等. Nature 536, 437–440; 2016），該專案獲得了一個更加誘人的目標。
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到達那裡並非易事。儘管比鄰星b的名字如此，但它仍然比任何人類製造的物體所到達的距離遠了近2000倍。為了在科學家的一生工作時間內到達那裡，探測器必須達到大約五分之一的光速，並在我們自己的太陽系和星際空間中導航一條穿越看不見的碎片的危險路徑。然後，它需要在以每秒60,000公里的速度飛越比鄰星系統期間收集有用的資料，並將資訊傳回4光年外的地球。這一切都構成了一項艱鉅的工程挑戰，但專案研究人員表示這是可能的，並且現在正在朝著這個目標邁進。
雷射推進探測器可以在五十年內完成前往系外行星比鄰星b的星際之旅。自然影片將找出方法。
其他團隊也在瞄準附近的恆星，但沒有一個團隊擁有突破攝星計劃的動力或資金。即使是未參與攝星計劃的天體物理學家也認為，由於科學家發表了許多關於星際旅行的概念論文，它在未來幾十年內最有可能進行星際任務。“攝星計劃吸取了所有這些概念的精華，並將它們組合成新的東西，” 紐約市哥倫比亞大學的天體物理學家卡萊布·沙夫說，他不是攝星計劃團隊的成員。
任務負責人計劃在幾個月內開始資助技術開發專案，目標是在未來20年內發射一批微型雷射推進探測器。負責人希望這項工作最終將耗資約100億美元，並再花費20年到達半人馬座阿爾法星。
發射
任何像突破攝星計劃這樣的任務中，第一個真正具有挑戰性的步驟是將航天器加速到星際速度。加利福尼亞大學聖巴巴拉分校的天體物理學家、該專案諮詢和管理委員會的成員菲利普·盧賓說，傳統的火箭是不可能的，因為它們無法以燃料的形式儲存足夠的化學能。“化學可以把你帶到火星，”他說，“但它不會把你帶到恆星。”
因此，攝星計劃專注於利用光。自二十世紀初以來，科學家們已經知道光攜帶動量並可以推動物體。日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）和行星學會的研究人員已經在太空中透過發射由陽光推進的大型帆來證明了這一點。但是，太陽的光不足以將飛船加速到半人馬座阿爾法星；貝茨說，這將需要一個巨大的、笨重的帆，他在2015年領導了一個團隊部署了一個32平方米的太陽帆。
攝星計劃評估了20多種太陽系以外的推進想法，但“幾乎所有”的想法似乎都遙不可及，該專案的執行董事皮特·沃登說。他們選定了一個盧賓提出的想法，涉及雷射。2015年，盧賓制定了一項在20年內將航天器送往半人馬座阿爾法星的概念路線圖(P. Lubin J. Br. Interplanet. Soc. 69, 40–72; 2016)。他建議使用地球上的雷射陣列來產生足夠強大的光束，以推進小型光帆。
自然，2017年2月1日，doi:10.1038/542020a
攝星計劃團隊計劃使用傳統火箭將其探測器送入軌道。然後，地球上的100吉瓦雷射陣列將連續向光帆發射數分鐘，足以將其加速到每秒60,000公里。
攝星計劃的負責人承認，他們依賴於雷射行業的突破。一百吉瓦將比當今最大的連續雷射器強大一百萬倍，後者輸出數百千瓦。解決這一差距的一種方法是將來自至少一公里寬的陣列中的數億個功率較低的雷射束的光組合起來。但是，所有光束都需要彼此同相，以便它們的光波相加而不是相互抵消——這使得雷射成為最需要開發的任務技術之一。
飛船
攝星計劃飛船的外觀將與以往發射到太空的任何東西都不一樣。想象一下，在直徑約4米的圓形或方形帆的中心，有一個大約一釐米寬的晶片上裝著一小部分電子裝置、感測器、推進器、攝像頭和一個電池——所有這些加起來只有一克重。航天器越輕，給定的力就能加速得越快。
為了最大限度地提高速度並最大限度地減少雷射造成的損害，光帆需要反射幾乎所有入射光，儘管它可能讓一些光線透過。合適材料已經存在，它們是電氣絕緣體的薄層，可以反射高達99.999%的入射光，接近所需的閾值。但是，研究人員需要增加這種奇異材料的產量並降低其成本。他們還需要研究這種材料將如何響應所需的強光水平，這可能會產生無法預測的光學效應。
在加速階段，光帆需要保持非常平坦，並主動感知和補償雷射束中的缺陷，以便航天器保持在軌道上；即使早期的輕微偏差也可能使其走向完全不同的軌跡。一種方法是讓光帆旋轉，產生離心力，使其繃緊，並使光束不規則性在光帆區域內平均分佈。JAXA已經展示了一種旋轉太陽帆，沃登說，這個概念對於攝星計劃來說“看起來非常有希望”。
無論設計如何，光帆都必須堅固。100吉瓦的雷射束將猛烈撞擊它，產生數萬倍於物體在地球上因重力而感受到的加速度。沃登指出，炮彈在軍事測試中已經承受住了這種力量，但是持續時間不到一秒鐘——而不是雷射將轟擊該裝置幾分鐘。
攝星計劃的計劃將建立在數量上的優勢。航天器將很小且成本相對較低，因此該專案可以每天發射一個或多個，甚至可以承受損失其中的一些。
沃登說，探測器的開發將分階段進行。第一步是建立一個原型系統，該系統將加速到每秒約1000公里——不到攝星計劃計劃速度的2%——總成本在5億美元到10億美元之間。
旅程
雷射將在幾分鐘後關閉，一旦探測器達到五分之一的光速並飛行了數百萬公里——大約是從地球到月球距離的五倍。接下來的20年，理想情況下，將是枯燥的。
這個階段最大的風險是與星際介質中的塵埃斑點、氫原子和其他粒子碰撞造成的嚴重損壞。額外的危險來自宇宙射線——以接近光速的速度穿過太空的原子核，可能會降解關鍵電子裝置。沒有人確切知道有多少粒子充滿了星際空間，或者它們有多大，但是攝星計劃計劃透過在前方邊緣覆蓋至少一毫米厚的鈹銅等材料塗層來保護其航天器免受潛在的碰撞。
即使它沒有摧毀航天器，撞擊也可能使探測器偏離軌道。因此，探測器將需要自己的導航和轉向系統，由一種使用鈽-238等放射性同位素的輕型發電機供電——本質上是一個核電池。這些系統需要包括監控恆星位置並透過發射光子推進器調整航向的初步人工智慧。“我對人們的說法是，你真的希望晶片上有尼爾·阿姆斯特朗或查克·耶格爾，以即時做出所有關鍵決策，”沙夫說。
任務設計人員將無法消除所有風險，尤其是來自星際介質中尚未知的物體的風險。這就是為什麼他們正在考慮一旦原型推進系統建成，就立即發射探索性探測器的原因。這些早期的飛行器可以對星際介質進行取樣並報告，以填補天文學家對這一環境的理解空白。
飛越
如果一切按計劃進行，大約在2060年左右，攝星計劃飛行器上的計算機將喚醒，向地球傳送定期狀態檢查，檢測到它正在接近比鄰星，併為飛越做好準備。
專家們一致認為，首要任務是拍照。盧賓估計，飛行器應該能夠到達距比鄰星b一個天文單位（從地球到太陽的距離）的範圍內。即使從那個距離，照片也可以揭示這顆行星是否像我們一樣是水汪汪的和綠色的，還是像火星一樣荒涼的。它還可以捕捉到諸如山脈和隕石坑等大型特徵。
如果行星有大氣層，一個車載光譜儀可以探測其大氣層的組成。研究人員將尋找諸如氧氣、甲烷和更復雜的碳氫化合物之類的分子，這些分子是可能的生命跡象。儀器可能還會嘗試測量行星的磁場或其他變數，這些變數可以揭示比鄰星b是否具有生命滋養環境或更惡劣的環境。
當飛行器到達比鄰星時，將無法減速，它會在大約兩個小時內飛掠過整個恆星系統。 這將對其測量儀器的設計帶來挑戰。 之前從未有任何相機以五分之一光速的速度拍攝過照片。 飛行器的相機必須旋轉才能將行星保持在視野中，而地球上的計算機必須校正因相對論效應以及相機與行星之間的角度和距離變化而造成的影像失真。
接下來將是“星際航行”計劃最艱鉅的挑戰之一，領導者承認他們尚未解決這個問題：如何使用大約 1 瓦的雷射束將比鄰星的資料傳輸回渴望的天文學家，同時還要使訊號足夠強，以便在 4.22 年的旅程後在地球上被檢測到。 盧賓設想在地球上建造一個公里寬的探測器陣列，可能佔據與加速雷射器相同的區域，以捕獲飛行器微弱的傳輸訊號。
機載核電池將為電容器供電，使其光束儘可能明亮，類似於相機閃光燈。 並且有可能將太陽帆用作天線以增強訊號。 但是，光束仍然會是浩瀚太空黑暗中的一絲微弱光芒。
另一種方法是發射一系列飛行器作為中繼，這樣每個晶片的訊號可能只需要傳播十分之一秒差距（0.2 光年），而不是全部距離。 但盧賓和其他人指出，這樣的方案會造成更多的複雜性。
一項新的能力
未參與該專案的專家表達了謹慎的樂觀和懷疑。“我認為在擴大雷射功率和其他所需技術方面存在巨大挑戰，”華盛頓特區光學學會首席科學家格雷戈裡·夸爾斯說。但他補充說，如果對光學和材料的研究有適當的私人和公共資金投入，“投資就會有回報”。
一些人說，“星際航行”計劃的極簡主義方法使其有別於以往不太可信的提案。“我看不到任何明顯完全不可能的事情，”沙夫說。“他們談論的不是一艘去往另一顆恆星的大型飛船。”
然而，其他人擔心多重技術障礙可能難以克服。“我對這件事的近期未來持謹慎態度，”貝茨說。“任何一個環節似乎都是可以克服的，直到你意識到你必須把它塞進一個小的、微小的、低質量的物體中。”
即使“星際航行”計劃到達比鄰星 b，太空探索組織“伊卡洛斯星際”總裁安德烈亞斯·齊奧拉斯認為，它也不太可能提供有用的資料。“它成功地從半人馬座阿爾法星發回影像的機會非常渺茫，甚至不存在，”他說。“你不可能讓那麼小的飛行器攜帶足夠的能量來傳輸回信號。” 儘管他的組織也在研究雷射推進，但他專注於一個核聚變驅動的任務，該任務可以在一個世紀內向半人馬座阿爾法星傳送一個更大的航天器——他說這將足夠強大，可以傳送回有用的資料，甚至可能運送機器人探測器。
在任何飛行器升空之前，天文學家無需將任何東西傳送到我們近鄰之外，就可以瞭解很多關於比鄰星 b 的資訊。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡計劃於 2018 年底發射，並且未來十年可能會有幾臺巨型地球望遠鏡上線。利用這些望遠鏡，天文學家或許能夠確定這顆系外行星的大氣層是否包含生命跡象。
但正如任何探險家都會說的那樣，沒有什麼可以替代去往新地方。例如，2015 年對冥王星的飛掠揭示了地球上最強大的望遠鏡都無法看到的冰山和氮冰川。同樣，比鄰星 b 和其他附近的每顆系外行星都可能隱藏著只有近距離接觸才能看到的驚喜。
任務支持者說，這也會有更廣泛的回報。“我認為‘星際航行’計劃是關於能力的發展，”倫敦星際研究倡議主任、該專案顧問委員會成員凱爾文·朗說。“這就像去月球一樣。” 他說，一個有能力將航天器推向比鄰星的雷射陣列可以在幾天內將探測器傳送到太陽系的任何地方，或者在一兩週內傳送到星際介質。
這種能力可能會使太陽系探索成為常態。“你覺得‘亞馬遜’次日送達火星怎麼樣？”盧賓說。“這將徹底改變我們探索的方式。”
本文經許可轉載，首次發表於2017 年 2 月 1 日。