衝浪超新星

原則上,先進的文明可以使用爆炸恆星發出的光芒來加速航天器,使其達到驚人的速度

蟹狀星雲是1054年爆炸的超新星的遺蹟。

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在夏威夷的海灘上,經常可以看到一群衝浪者利用強大的海浪加速自己,達到高速。外星文明是否會嘗試透過“衝浪”爆炸恆星發出的光芒來做類似的事情?

一個每平方米重量不到半克的光帆,即使它離超新星的距離是地球離太陽距離的一百倍,也可以達到光速。這是因為典型的超新星的光度相當於十億個太陽的光芒持續一個月。即使設計最佳的光帆從離太陽半徑10倍的距離(帕克太陽探測器的最近距離)開始旅程,太陽本身也幾乎無法將其加速到光速的千分之一。終端速度與恆星光度與初始距離之比的平方根成正比,對於最明亮的恆星可以達到光速的十分之一。

強大的雷射器可以比太陽更好地推動光帆。突破攝星專案旨在透過使用每平方米可達10吉瓦的雷射束(比地球上的陽光亮1000萬倍)推動輕型光帆幾分鐘,從而達到光速的十分之幾。但是要達到這個目標,需要在生產和準直這種光束所需的基礎設施上進行大量投資。


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或者,一個恰好居住在諸如參宿四海山二等大質量恆星附近的文明,可以在它周圍停放許多光帆,等待強大的爆炸,這將以最低的成本將這些光帆發射到光速。

當然,也存在挑戰。首先是耐心。大質量恆星的壽命長達數百萬年,很難預測它們爆炸的確切時間。例如,海山二的壽命為數百萬年,但要將其死亡預測到僅有千年精度的程度,就像預測一個老年人在達到平均預期壽命後可能在哪一年死亡一樣具有挑戰性。

光帆可以在爆炸之前,使用廉價的化學火箭運輸到目的地。這個旅程將花費數百萬年的時間,穿越孕育了大質量恆星的分子云。只有在該星雲附近的文明才能使用化學推進器在恆星爆炸之前到達該恆星。相同的火箭發動機將使光帆能夠根據爆炸後旅程的期望方向,以相對於恆星的適當方向懸停。

但是,正如猶太諺語所說:“有很多理由令人擔憂。”首先,如在星際迷航中一樣,光帆必須具有高反射性,以免吸收過多的熱量而燒燬。其次,一旦將光帆放置在圍繞大質量恆星的軌道上,它們將被爆炸前的明亮星光或質量損失推開。為了避免這種危險,可以將光帆以摺疊的配置部署,併為它們配備一個開關,一旦爆炸閃光開始上升,它們就會像雨傘一樣開啟。

第三,即使發射可以從比爆炸恆星大一百倍的距離開始,也必須注意選擇特別空的加速路徑,以便避開任何恆星碎片;當相對速度接近光速時,塵埃顆粒會像微型原子爆炸一樣刺穿光帆,而氣體顆粒會減慢光帆的速度,因為它掃過的環境物質的重量與自身相當。一旦光帆達到其終端速度,它就可以沿其運動方向摺疊成針狀配置,橫截面積很小,以最大程度地減少損壞和摩擦。

諸如海山二之類的巨大質量恆星可能會坍縮成黑洞,併產生強大的輻射束,天文學家從宇宙各處觀察到這些輻射束為伽瑪射線爆發。碰巧在爆炸時位於這些光束方向上的光帆將獲得非凡的提升,這可以使光帆的相對論洛倫茲因子達到一千,使它們能夠在它們自身的靜止參考系中,在不到人類一生時間內穿越整個銀河系。 電帆也可以在由脈衝星黑洞噴流產生的相對論風中衝浪時達到類似的速度。

在恆星爆炸時發出的明亮閃光之前,可能會出現強烈的微中子爆發(如從SN 1987A中檢測到的)和引力波,但是很難利用這些成分的推力,因為它們與物質的相互作用非常弱。

考慮到它們在推進方面的潛在效用,大質量恆星或它們的超新星遺蹟應成為尋找外星智慧(SETI)中令人感興趣的新目標。圍繞它們的光帆可能太小而無法單獨找到,但是它們弓形衝擊或通訊訊號的總和可以使用現有望遠鏡檢測到。

在超新星遺蹟中是否有快速移動的物質的證據?是的,有,但這很可能起源於自然原因。超新星噴射物通常以光速的十分之一的速度向外移動,並且在諸如船帆座W44之類的遺蹟中已經檢測到移動更快的物質。此外,已知最強大的爆炸,例如超新星伽瑪射線爆發,會產生接近光速的自然外流,並且要分離其中的任何人工成分將具有挑戰性。

利用自然閃光的速度航行,可以避免人工發射系統的高昂建設成本。這個概念正規化呼應了戴森球體的精神,這是弗里曼·戴森假設的,用於收集不太可能爆炸的恆星能量的巨型結構。如果我們很幸運在我們的星系中擁有許多技術文明,那麼在大質量恆星周圍可能會有大量的光帆,耐心地等待它們的爆炸。

但是在我們讓未來的旅行社將這些煙火作為有吸引力的旅遊目的地進行營銷之前,最好先知道一個問題的答案:大質量恆星的環境是否已經像夏威夷的海灘一樣擁擠著衝浪者?

Avi Loeb is the head of the Galileo Project, director of the Institute for Theory and Computation at the Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, founding director of Harvard University’s Black Hole Initiative, and the former chair of the Harvard astronomy department (2011-2020). He is a former member of the President’s Council of Advisors on Science and Technology and a former chair of the Board on Physics and Astronomy of the National Academies. He has published more than a thousand peer-reviewed papers and is the bestselling author of Extraterrestrial and Interstellar and a co-author of the textbooks Life in the Cosmos and The First Galaxies in the Universe.

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